DE102014203218A1 - SEI image-retarding anode material additive - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Anode einer Lithium-Zelle. Um einen SEI-bildungsbedingten Kapazitätsverlust der Zelle zu vermeiden, wird in einem Verfahrensschritt a) mindestens ein Anodenaktivmaterial (11), mindestens ein Lösungsmittel (12) und mindestens ein Additiv (13), welches mindestens einen, durch Wärme und/oder Strahlung polymerisierbaren Polymer-Ausgangsstoff umfasst, gemischt, in einem Verfahrensschritt b) aus der Masse (11–15) aus Verfahrensschritt a) eine Anodenschicht (10) ausgebildet und die Anodenschicht (10) in einem Verfahrensschritt c) mit Wärme und/oder Strahlung behandelt, wobei der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs (13) polymerisiert (13a). Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein derartiges Anodenmaterial sowie eine damit ausgestattete Lithium-Zelle und Lithium-BatterieThe present invention relates to a manufacturing method for an anode of a lithium cell. In order to avoid an SEI-induced capacity loss of the cell, in a method step a) at least one anode active material (11), at least one solvent (12) and at least one additive (13), which at least one, polymerizable by heat and / or radiation polymer Starting material comprises, mixed, in a process step b) from the mass (11-15) from process step a) formed an anode layer (10) and treated the anode layer (10) in a process step c) with heat and / or radiation, wherein the at least one polymer starting material of the at least one additive (13) polymerized (13a). Moreover, the invention relates to such an anode material as well as a lithium cell and lithium battery equipped therewith

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Anode einer Lithium-Zelle, ein entsprechendes Anodenmaterial sowie eine damit ausgestattete Lithium-Zelle und Lithium-Batterie.The present invention relates to a manufacturing method for an anode of a lithium cell, a corresponding anode material and a lithium cell and lithium battery equipped therewith.

Stand der TechnikState of the art

Lithium-Ionen-Batterien werden in einer Vielzahl von Produkten, welche von Mobiltelefonen bis hin zu Elektrofahrzeugen reichen, eingesetzt.Lithium-ion batteries are used in a variety of products ranging from mobile phones to electric vehicles.

Eine Lithium-Ionen-Batterie weist üblicherweise ein Anodenmaterial, ein Kathodenmaterial und einen mit Elektrolyt getränkten Separator auf. Während des ersten Ladezyklus einer Batterie werden Lithium-Ionen aus dem Kathodematerial ausgelagert, durch den Separator hindurch transportiert und in dem Anodenmaterial eingelagert. Während des Entladens der Batterie bewegen sich die Lithium-Ionen in die entgegen gesetzte Richtung.A lithium-ion battery typically includes an anode material, a cathode material, and an electrolyte-impregnated separator. During the first charge cycle of a battery, lithium ions are removed from the cathode material, transported through the separator and stored in the anode material. During discharge of the battery, the lithium ions move in the opposite direction.

Derzeit werden in Lithium-Ionen-Batterien häufig Elektrolyte eingesetzt, welche auf organischen Carbonaten basieren. Organische Carbonate können jedoch bei niedrigen Spannungen instabil sein. Daher kann sich der Elektrolyt während des ersten Ladens der Batterie auf der Oberfläche des Anodenmaterials zersetzen und eine polymere SEI-Schicht (SEI; Englisch: Solid Electrolyte Interphase, Festkörper-Elektrolyt-Phasengrenzfläche) bilden.Currently, lithium-ion batteries often use electrolytes based on organic carbonates. Organic carbonates, however, may be unstable at low voltages. Therefore, during the first charging of the battery, the electrolyte may decompose on the surface of the anode material to form a SEI (Solid Electrolyte Interphase) SEI (Solid State Electrolyte Interphase) layer.

Die SEI-Schicht kann zwar stabil sein und eine weitere Zersetzung des Elektrolyten auf dem Anodenmaterial verhindern, jedoch wird während der Bildung der SEI-Schicht ein Teil der Lithium-Ionen und des Elektrolyten verbraucht.While the SEI layer may be stable and prevent further decomposition of the electrolyte on the anode material, some of the lithium ions and the electrolyte are consumed during the formation of the SEI layer.

Dies hat zum einen zur Folge, dass üblicherweise eine höhere Elektrolytmenge eingesetzt wird als tatsächlich für das Zyklisieren der Batterie benötigt wird, was mit höheren Materialkosten für den Elektrolyten einhergeht. Zum anderen kann sich die zum Zyklisieren verfügbare Menge an Lithium-Ionen verringern, was in einer geringeren Kapazität der Zelle resultiert. Insbesondere kann dies zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust von 15 % bis 20 % führen, welcher nicht wieder hergestellt werden kann und daher mit einer verringerten elektrischen Effizienz einhergeht.This has the consequence that usually a higher amount of electrolyte is used than is actually required for the cyclization of the battery, which is associated with higher material costs for the electrolyte. On the other hand, the amount of lithium ions available for cyclization may decrease, resulting in a lower capacity of the cell. In particular, this can lead to an irreversible capacity loss of 15% to 20%, which can not be restored and therefore associated with a reduced electrical efficiency.

Darüber hinaus wird bei kommerziellen Zellen die SEI-Bildung in der Regel beim Batteriehersteller abgeschlossen. Da die SEI-Bildung jedoch einige Tage benötigt, erfordert dies Zeitaufwand und verursacht weitere Kosten. In addition, in commercial cells, SEI formation is usually completed at the battery manufacturer. However, since SEI education takes a few days, it takes time and incurs additional costs.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellungsverfahren für eine Anode einer Lithium-Zelle, umfassend die Verfahrensschritte:

  • a) Mischen mindestens eines Anodenaktivmaterials, mindestens eines Lösungsmittels und mindestens eines Additivs, welches mindestens einen, durch Wärme und/oder Strahlung polymerisierbaren Polymer-Ausgangsstoff umfasst,
  • b) Ausbilden einer Anodenschicht aus der Masse aus Verfahrensschritt a), und
  • c) Behandeln der Anodenschicht mit Wärme und/oder Strahlung, wobei der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs polymerisiert.
The present invention is a production method for an anode of a lithium cell, comprising the method steps:
  • a) mixing at least one anode active material, at least one solvent and at least one additive comprising at least one heat and / or radiation polymerizable polymer starting material,
  • b) forming an anode layer from the mass of process step a), and
  • c) treating the anode layer with heat and / or radiation, wherein the polymerized at least one polymer starting material of the at least one additive.

Unter einem Anodenaktivmaterial kann insbesondere ein Stoff verstanden werden, welche Lithium-Ionen reversibel einlagern und auslagern kann. Insbesondere kann das mindestens eine Anodenaktivmaterial ein Lithium-Interkalationsmaterial, insbesondere Graphit, und/oder ein Lithium-Legierungsmaterial, insbesondere Silicium oder eine Siliciumlegierung, sein.An anode active material may, in particular, be understood as meaning a substance which can reversibly store and displace lithium ions. In particular, the at least one anode active material may be a lithium intercalation material, in particular graphite, and / or a lithium alloy material, in particular silicon or a silicon alloy.

Unter einem Polymer-Ausgangsstoff kann insbesondere ein so genannter Polymer-Precursor verstanden werden.By a polymer starting material, in particular a so-called polymer precursor can be understood.

Dadurch, dass im Rahmen des Mischens in Verfahrensschritt a) ein durch Wärme und/oder Strahlung aktivierbares, polymerisierbares Additiv zugegeben wird, welches in Verfahrensschritt c) zur Polymerisation aktiviert wird, können sich vorteilhafterweise sowohl die Stabilität des Anodenmaterials erhöhende Bindungen an der Oberfläche des Anodenmaterials, als auch eine stabile Polymerschicht um die Oberfläche des Anodenmaterials herum, bilden. Auf diese Weise wird die Elektrodenschicht durch eine stabile Schicht bedeckt, welche eine SEI-Bildung vermindert oder verhindert. So kann wiederum vorteilhafterweise ein SEI-bildungsbedingter Kapazitätsverlust vermindert oder sogar gänzlich verhindert werden. Zudem kann so vorteilhafterweise auch ein SEI-bildungsbedingter Elektrolytverlust vermieden beziehungsweise verhindert werden.Characterized in that in the course of mixing in process step a) a activatable by heat and / or radiation, polymerizable additive is added, which is activated in step c) for polymerization, advantageously both the stability of the anode material increasing bonds on the surface of the anode material , as well as forming a stable polymer layer around the surface of the anode material. In this way, the electrode layer is covered by a stable layer which reduces or prevents SEI formation. Thus, in turn, advantageously a SEI-education-related capacity loss can be reduced or even completely prevented. In addition, it is thus also advantageously possible to avoid or prevent SEI-induced electrolyte loss.

So kann wiederum vorteilhafterweise eine höhere Kapazität erzielt, Materialkosten, insbesondere durch Materialersparnis für Elektrolyt- und Kathodenmaterial, und zudem Prozessierungskosten, insbesondere aufgrund von kürzeren Formierungszeiten, gesenkt werden.Thus, in turn, advantageously, a higher capacity can be achieved, material costs, in particular by material savings for electrolyte and cathode material, and also processing costs, in particular due to shorter formation times, can be lowered.

Im Rahmen einer Ausführungsform wird in Verfahrensschritt c) auch die Anodenschicht getrocknet. So kann vorteilhafterweise auf einen zusätzlichen Prozessschritt verzichtet werden.Within the scope of one embodiment, the anode layer is also dried in method step c). So can advantageously be dispensed with an additional process step.

Es ist jedoch dennoch möglich, die Anodenschicht in einem weiteren Verfahrensschritt d) zu trocknen. Verfahrensschritt d) kann beispielsweise durchgeführt werden insofern in Verfahrensschritt c) lediglich eine Behandlung durch Strahlung durchgeführt wird. However, it is still possible to dry the anode layer in a further process step d). Process step d) can be carried out, for example, insofar as in process step c) only one treatment is carried out by radiation.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt a) weiterhin mindestens ein Binder zugemischt. So kann vorteilhafterweise die mechanische Stabilität der Anodenschicht erhöht werden. Der mindestens eine Binder kann insbesondere wasserlöslich sein. So kann vorteilhafterweise das mindestens eine Lösungsmittel Wasser sein oder umfassen.In a further embodiment, at least one binder is further admixed in process step a). Thus, advantageously, the mechanical stability of the anode layer can be increased. The at least one binder may in particular be water-soluble. Thus, advantageously, the at least one solvent may be or comprise water.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt a) weiterhin mindestens ein elektrisches Leitmittel zugemischt. Beispielsweise kann das mindestens eine elektrische Leitmittel Kohlenstoff-basiert sein. Zum Beispiel kann das mindestens eine elektrische Leitmittel Leitruß, beispielsweise Industrieruß (Englisch: Carbon Black), umfassen oder sein.Within the scope of a further embodiment, at least one electrical conducting agent is further admixed in method step a). For example, the at least one electrical conducting agent may be carbon-based. For example, the at least one electrical conducting agent may comprise or be conductive carbon black, for example carbon black.

Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform umfasst Verfahrensschritt a) die Verfahrensschritte a1) und a2):

  • a1) Mischen des mindestens einen Lösungsmittels mit dem mindestens einen Binder,
  • a2) Zumischen des mindestens einen Anodenaktivmaterials und des mindestens einen Additivs und gegebenenfalls des mindestens einen elektrischen Leitmittels zu der Mischung aus Verfahrensschritt a1).
In a specific embodiment, method step a) comprises method steps a1) and a2):
  • a1) mixing the at least one solvent with the at least one binder,
  • a2) admixing the at least one anode active material and the at least one additive and optionally the at least one electrical conductive agent to the mixture from process step a1).

Insbesondere kann dabei in Verfahrensschritt a) der mindestens eine Binder in dem mindestens einen Lösungsmittel gelöst werden. So kann vorteilhafterweise die Verteilung des mindestens einen Binders und damit die mechanische Stabilität des Anodenmaterials verbessert werden.In particular, in process step a), the at least one binder can be dissolved in the at least one solvent. Thus, advantageously, the distribution of the at least one binder and thus the mechanical stability of the anode material can be improved.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt c) die Anodenschicht auf eine Temperatur erhitzt, welche oberhalb der Polymerisierungstemperatur des mindestens einen Polymer-Ausgangsstoffs des mindestens einen Additivs liegt.In a further embodiment, in method step c), the anode layer is heated to a temperature which is above the polymerization temperature of the at least one polymer starting material of the at least one additive.

Unter der Polymerisierungstemperatur kann dabei insbesondere die Temperatur verstanden werden, bei welcher der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs polymerisiert.The polymerization temperature may be understood to mean, in particular, the temperature at which the at least one polymer starting material of the at least one additive polymerizes.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs bei einer Polymerisierungstemperatur von ≤ 150 °C thermisch polymerisierbar. Beispielsweise kann dabei die Anodenschicht in Verfahrensschritt c) auf eine Temperatur erhitzt werden, welche ≥ 150 °C, zum Beispiel um etwa 150 °C, liegt. Dies hat sich zur Herstellung als besonders vorteilhaft erwiesen, da dabei in Verfahrensschritt c) sowohl der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs polymerisiert als auch die Anodenschicht getrocknet werden kann.In a further embodiment, the at least one polymer starting material of the at least one additive is thermally polymerizable at a polymerization temperature of ≦ 150 ° C. For example, the anode layer in process step c) can be heated to a temperature which is ≥ 150 ° C., for example about 150 ° C. This has proved to be particularly advantageous for the production, since in method step c) both the at least one polymer starting material of the at least one additive can be polymerized and the anode layer can be dried.

Durch den Einsatz eines durch Strahlung polymerisierbaren Polymer-Ausgangsstoff kann eine Polymerisation vorteilhafterweise auf schonende Weise induziert und beispielsweise eine Degradation von Komponenten, beispielsweise des Binders, vermieden werden.By using a radiation-polymerizable polymer starting material, a polymerization can advantageously be induced in a gentle manner and, for example, a degradation of components, for example of the binder, can be avoided.

Das mindestens eine Additiv kann zum Beispiel mindestens einen, durch Wärme und/oder Strahlung, beispielsweise elektromagnetische Strahlung und/oder Elektronenstrahlung, polymerisierbaren Polymer-Ausgangsstoff umfassen. In Verfahrensschritt c) kann dabei die Anodenschicht zum Beispiel mit Wärme und/oder Strahlung, beispielsweise elektromagnetischer Strahlung und/oder Elektronenstrahlung, behandelt werden, insbesondere wobei der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs polymerisiert.The at least one additive may, for example, comprise at least one polymer starting polymerizable by heat and / or radiation, for example electromagnetic radiation and / or electron radiation. In method step c), the anode layer can be treated, for example, with heat and / or radiation, for example electromagnetic radiation and / or electron radiation, in particular wherein the at least one polymer starting material of the at least one additive polymerizes.

Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform ist der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs durch ultraviolette Strahlung und/oder Gammastrahlung und/oder Elektronenstrahlung polymerisierbar. Insbesondere kann dabei in Verfahrensschritt c) die Anodenschicht mit ultravioletter Strahlung und/oder Gammastrahlung und/oder Elektronenstrahlung bestrahlt werden.In a specific embodiment, the at least one polymer starting material of the at least one additive is polymerizable by ultraviolet radiation and / or gamma radiation and / or electron radiation. In particular, in method step c), the anode layer can be irradiated with ultraviolet radiation and / or gamma radiation and / or electron radiation.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs selbst durch Wärme und/oder Strahlung zur Polymerisation initiierbar. So kann das Verfahren vorteilhafterweise besonders einfach und kostengünstig durchgeführt werden.Within the scope of a further embodiment, the at least one polymer starting material of the at least one additive itself can be initiated by polymerization for heat and / or radiation. Thus, the method can advantageously be carried out particularly easily and inexpensively.

Im Rahmen einer anderen Ausführungsform ist der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs durch einen, durch Wärme und/oder Strahlung aktivierbaren Initiator zur Polymerisation initiierbar. Insbesondere kann dabei in Verfahrensschritt a), insbesondere a2), auch der Initiator zugemischt werden. So kann vorteilhafterweise der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff aus einer breiten Materialpalette ausgewählt werden.In the context of another embodiment, the at least one polymer starting material of the at least one additive can be initiated by a heat-activatable and / or radiation-activatable initiator for the polymerization. In particular, in this case, in step a), in particular a2), and the initiator can be mixed. Thus, advantageously, the at least one polymer starting material can be selected from a wide range of materials.

Unterschiedliche bekannte Polymer-Ausgangsstoffe (Polymer-Precursor) können für das mindestens eine Additiv verwendet werden, um eine stabile Oberflächenbeschichtung auf dem Anodenmaterial zu erzielen.Various known polymer precursors may be used for the at least one additive to achieve a stable surface coating on the anode material.

Beispielsweise kann der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs, ausgewählt sein aus der Gruppe der (selbst) thermisch zur Polymerisation initiierbaren Monomere, der (selbst) durch Strahlung zur Polymerisation initiierbaren Monomere, der durch thermisch aktivierbare Initiatoren zur Polymerisation initiierbaren Monomere, der durch Photoinitiatoren zur Polymerisation initiierbaren Monomere und Kombinationen beziehungsweise Mischungen davon. Polymer-Ausgangsstoffe dieser Gruppen können zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Polymerschicht vorteilhaft eingesetzt werden. For example, the at least one polymer starting material of the at least one additive can be selected from the group of (itself) thermally polymerization-initiable monomers, the (itself) radiation-initiable monomers, the thermally activatable initiators for polymerization initiators monomers by photoinitiators for polymerization-initiatable monomers and combinations or mixtures thereof. Polymer starting materials of these groups can be advantageously used to form the polymer layer according to the invention.

Unter (selbst) thermisch zur Polymerisation initiierbaren Monomeren können insbesondere Monomere verstanden werden, bei denen eine Behandlung mit Wärme, insbesondere ohne den Einsatz eines Initiators, ausreichend ist um eine Polymerisation der Monomere zu bewirken. Beispiele für (selbst) thermisch zur Polymerisation initiierbare Monomere sind Methylmethacyrlat und/oder Vinylacetat. Methylmethacyrlat kann – insbesondere ohne den Einsatz eines Initiators – bei einer Temperatur von etwa 131 °C thermisch initiiert werden. Vinylacetat kann – insbesondere ohne den Einsatz eines Initiators – bei einer Temperatur von etwa 100 °C thermisch initiiert werden.By (self) thermally polymerizable monomers can be understood in particular monomers in which a treatment with heat, in particular without the use of an initiator, is sufficient to effect a polymerization of the monomers. Examples of (self) thermally polymerizable monomers are Methylmethacyrlat and / or vinyl acetate. Methyl methacrylate can be thermally initiated at a temperature of about 131 ° C, especially without the use of an initiator. Vinyl acetate can - especially without the use of an initiator - be thermally initiated at a temperature of about 100 ° C.

Unter (selbst) durch Strahlung zur Polymerisation initiierbaren Monomeren können insbesondere Monomere verstanden werden, bei denen eine Behandlung mit Strahlung, insbesondere ohne den Einsatz eines Initiators, ausreichend ist um eine Polymerisation der Monomere zu bewirken. Zum Beispiel kann dabei eine Behandlung mit Elektronenstrahlung und/oder elektromagnetischer Strahlung durchgeführt werden. Beispiele für (selbst) durch Strahlung zur Polymerisation initiierbare Monomere sind Methacrylat- und/oder Acrylat-Poly(ethylenglykol) (PEG) und/oder 2-Ethylhexyl-acrylat eingesetzt werden. Die Initiierung kann dabei durch einen gepulsten oder ungepulsten Elektronenstrahl, beispielsweise mit ≥ 12,6 Gy/Puls bis ≤ 71,2 Gy/Puls, erfolgen.By (itself) monomers which can be initiated by radiation for the polymerization can be understood in particular monomers in which a treatment with radiation, in particular without the use of an initiator, is sufficient to effect a polymerization of the monomers. For example, a treatment with electron radiation and / or electromagnetic radiation can be carried out. Examples of (self) radiation-initiatable monomers are methacrylate and / or acrylate poly (ethylene glycol) (PEG) and / or 2-ethylhexyl acrylate. The initiation can be effected by a pulsed or unpulsed electron beam, for example with ≥ 12.6 Gy / pulse to ≤ 71.2 Gy / pulse.

Unter Monomeren, welche durch thermisch aktivierbare Initiatoren zur Polymerisation initiierbar sind, können insbesondere Monomere verstanden werden, deren Polymerisation durch einen Initiator initiiert werden kann, wobei sich der Initiator unter Erhitzen beziehungsweise thermisch zersetzt und dadurch eine Polymerisation der Monomere aktiviert. Derartige Monomere können beispielsweise radikalisch oder kationisch, insbesondere radikalisch, polymerisierbar sein. Beispiele für durch thermisch aktivierbare Initiatoren zur, insbesondere radikalischen, Polymerisation initiierbare Monomere sind Olefine, halogenierte Alkene, Vinylester (CH2=CHOCOR) und/oder Methacrylate. Dabei können beispielsweise Acetylperoxide, zum Beispiel mit einer Aktivierungstemperatur in einem Bereich von ≥ 70 °C bis ≤ 90 °C, Azobisisobutyronitril (AIBN), zum Beispiel mit einer Aktivierungstemperatur in einem Bereich von ≥ 50 °C bis ≤ 70 °C, und/oder Benzoylperoxide, zum Beispiel mit einer Aktivierungstemperatur in einem Bereich von ≥ 80 °C bis ≤ 95 °C, als Initiatoren eingesetzt werden. Beispiele für durch thermisch aktivierbare Initiatoren zur, insbesondere kationischen, Polymerisation initiierbare Monomere sind Vinylether.Monomers which can be initiated for polymerization by thermally activatable initiators can in particular be understood to be monomers whose polymerization can be initiated by an initiator, the initiator decomposing with heating or thermal decomposition, thereby activating a polymerization of the monomers. Such monomers can be, for example, free-radically or cationically, in particular free-radically, polymerizable. Examples of monomers which can be initiated by thermally activatable initiators for, in particular free-radical, polymerization are olefins, halogenated alkenes, vinyl esters (CH 2 = CHOCOR) and / or methacrylates. In this case, for example, acetyl peroxides, for example with an activation temperature in a range of ≥ 70 ° C to ≤ 90 ° C, azobisisobutyronitrile (AIBN), for example with an activation temperature in a range of ≥ 50 ° C to ≤ 70 ° C, and / or benzoyl peroxides, for example with an activation temperature in a range of ≥ 80 ° C to ≤ 95 ° C, can be used as initiators. Examples of monomers which can be initiated by thermally activatable initiators for, in particular cationic, polymerization are vinyl ethers.

Unter durch Photoinitiatoren zur Polymerisation initiierbaren Monomeren können insbesondere Monomere verstanden werden, deren Polymerisation durch einen Initiator initiiert werden kann, wobei der Initiator und dadurch eine Polymerisation der Monomere durch elektromagnetische Strahlung beziehungsweise Photonen, beispielsweise Photoinitiation, aktiviert wird. Beispiele für durch Photoinitiatoren zur Polymerisation initiierbare Monomere sind aromatische Ketone und/oder Methylmethacrylat (MMA). Aromatische Ketone können aufgrund ihrer geringen Penetration besonders vorteilhaft für dünne Filme eingesetzt werden. Zur Polymerisation von Methylmethacrylat kann zum Beispiel ein Farbstoff, wie Thionin, und/oder ein Co-Initiator, wie Triethanolamin, und/oder ein Eisen(III)salz, zum Beispiel ein Hydroxid (OH) und/oder Chlorid (Cl), als Initiator eingesetzt werden. Dabei kann beispielsweise Eisen(III) bei einer Strahlung von 3650 Å zu Eisen(II) reduziert werden. By photoinitiators for the polymerization of monomers can be understood in particular monomers whose polymerization can be initiated by an initiator, wherein the initiator and thereby polymerization of the monomers by electromagnetic radiation or photons, such as photoinitiation, is activated. Examples of monomers which can be initiated by polymerization for photoinitiators are aromatic ketones and / or methyl methacrylate (MMA). Aromatic ketones can be used particularly advantageously for thin films because of their low penetration. For the polymerization of methyl methacrylate, for example, a dye such as thionine, and / or a co-initiator such as triethanolamine, and / or a ferric salt, for example, a hydroxide (OH) and / or chloride (Cl), as Initiator can be used. In this case, for example, iron (III) can be reduced to iron (II) at a radiation of 3650 Å.

Das mindestens eine Additiv kann insbesondere in einer geringen Menge eingesetzt werden. Beispielsweise kann das mindestens eine Additiv in einer Menge eingesetzt werden, welche derart gewählt ist, dass das Gewicht des aus dem mindestens einen Polymer-Ausgangsstoff ausgebildeten Polymers maximal 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des mindestens einen Anodenaktivmaterials, ausmacht. So kann eine vorteilhafte spezifische Energiedichte erzielt werden.The at least one additive can be used in particular in a small amount. For example, the at least one additive may be used in an amount selected such that the weight of the polymer formed from the at least one polymer precursor is at most 10% by weight, based on the weight of the at least one anode active material. Thus, an advantageous specific energy density can be achieved.

Die Masse aus Verfahrensschritt a) kann insbesondere ein Schlamm (Englisch: Slurry) sein.The mass from process step a) may in particular be a sludge (English: slurry).

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt b) ein elektrisch leitendes Substrat mit der Masse aus Verfahrensschritt a) beschichtet. Beispielsweise kann das Substrat aus Kupfer ausgebildet, zum Beispiel eine Kupferfolie, sein.In a further embodiment, in method step b), an electrically conductive substrate is coated with the composition of method step a). For example, the substrate may be formed of copper, for example a copper foil.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Anodenmaterial, der erfindungsgemäßen Zelle und der erfindungsgemäßen Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the method according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the anode material according to the invention, the cell according to the invention and the battery according to the invention and to the figures and the description of the figures.

Ein weiterer Gegenstand ist ein Anodenmaterial für eine Lithium-Zelle, welches durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erhältlich beziehungsweise hergestellt ist. Insbesondere kann das Anodenmaterial ein Anodenmaterial für eine Lithium-Ionen-Zelle sein. Durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Anodenmaterialien weisen insbesondere eine polymere Oberflächenschicht auf dem Anodenmaterial auf. Another object is an anode material for a lithium cell, which is available or produced by a method according to the invention. In particular, the anode material may be an anode material for a lithium-ion cell. In particular, anode materials produced by the method according to the invention have a polymeric surface layer on the anode material.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Anodenmaterials wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Zelle und der erfindungsgemäßen Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the anode material according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention, the cell according to the invention and the battery according to the invention and to the figures and the description of the figures.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lithium-Zelle, welche ein erfindungsgemäßes Anodenmaterial umfasst. Insbesondere kann die Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle sein.Furthermore, the invention relates to a lithium cell, which comprises an anode material according to the invention. In particular, the cell may be a lithium-ion cell.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Anodenmaterial und der erfindungsgemäßen Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the cell according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention, the anode material according to the invention and the battery according to the invention and to the figures and the description of the figures.

Ferner betrifft die Erfindung eine Lithium-Batterie, welche mindestens zwei erfindungsgemäße Zellen umfasst. Insbesondere kann die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie sein. Beispielsweise kann die Batterie eine zylindrische oder prismatische Batterie mit einem Hartschalengehäuse (Englisch: Hardcase) oder einer Folienverpackung (Englisch: Pouch) sein. Zum Beispiel kann die Batterie eine Batterie mittlerer Energie oder eine Hochenergie-Batterie, insbesondere eine Hochenergie-Batterie, sein. Unter einer Hochenergie-Batterie kann dabei insbesondere eine Batterie mit einer Kapazität von ≥ 40 Ah, zum Beispiel mit etwa 60 Ah, verstanden werden.Furthermore, the invention relates to a lithium battery, which comprises at least two cells according to the invention. In particular, the battery may be a lithium-ion battery. For example, the battery may be a cylindrical or prismatic battery with a hardshell case or a pouch. For example, the battery may be a medium energy battery or a high energy battery, especially a high energy battery. A high-energy battery can be understood in particular as meaning a battery with a capacity of ≥ 40 Ah, for example with about 60 Ah.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Batterie wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Anodenmaterial und der erfindungsgemäßen Zelle sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the battery according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention, the anode material according to the invention and the cell according to the invention and to the figures and the description of the figures.

Zeichnungendrawings

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the

Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigenDrawings are descriptive only and are not intended to limit the invention in any way. Show it

1 ein Schema zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und 1 a diagram illustrating an embodiment of the method according to the invention; and

2 schematische Querschnitte durch eine, durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellte Anode vor und nach dem ersten Ladezyklus zur Veranschaulichung des Konzepts der SEI-Bildungshemmung durch die aus dem Additiv ausgebildete Oberflächenschicht. 2 schematic cross sections through an anode produced by an inventive method before and after the first charging cycle to illustrate the concept of SEI formation inhibition by the surface layer formed from the additive.

1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem Verfahrensschritt a) in zwei Verfahrensschritt a1) und a2) unterteilt ist. 1 shows an embodiment of a method according to the invention, in which method step a) is subdivided into two method steps a1) and a2).

1 veranschaulicht, dass in dem Verfahrensschritt a1) mindestens ein Binder 14 in mindestens einem Lösungsmittel 12, beispielsweise Wasser, gelöst und gemischt wird. Dann werden in dem Verfahrensschritt a2) die anderen Komponenten, nämlich mindestens ein Anodenaktivmaterial 11, beispielsweise ein Lithium-Interkalationsmaterial, zum Beispiel Graphit, mindestens ein elektrisches Leitmittel 15, beispielsweise Leitruß, und mindestens ein Additiv 13 in die Binderlösung aus Verfahrensschritt a1) eindispergiert. Das mindestens eine Additiv 13 umfasst dabei mindestens einen, durch Wärme und/oder Strahlung polymerisierbaren Polymer-Ausgangsstoff (Polymer-Precursor). 1 illustrates that in process step a1) at least one binder 14 in at least one solvent 12 , For example, water, dissolved and mixed. Then in the process step a2) the other components, namely at least one anode active material 11 For example, a lithium intercalation material, for example graphite, at least one electrical conductive agent 15 For example, Leitruß, and at least one additive 13 into the binder solution from process step a1). The at least one additive 13 comprises at least one, polymerizable by heat and / or radiation polymer starting material (polymer precursor).

1 zeigt weiterhin, dass dann in einem Verfahrensschritt b) aus der Masse 11–15 aus Verfahrensschritt a), insbesondere a1), welche beispielsweise ein Schlamm (Englisch: Slurry) sein kann, eine Anodenschicht 10 ausgebildet wird. Dabei kann insbesondere in Verfahrensschritt b) ein elektrisch leitendes Substrat 1, beispielsweise eine Kupferfolie, mit der Masse 11–15 aus Verfahrensschritt a) beschichtet werden. 1 further shows that then in a process step b) from the mass 11 - 15 from process step a), in particular a1), which may be, for example, a slurry (English: slurry), an anode layer 10 is trained. In this case, in particular in method step b) an electrically conductive substrate 1 , For example, a copper foil, with the mass 11 - 15 from process step a) are coated.

1 illustriert weiterhin, dass in einem Verfahrensschritt c) die Anodenschicht 10 mit Wärme und/oder Strahlung behandelt wird, wobei der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs 13 polymerisiert 13a. 1 further illustrates that in a process step c) the anode layer 10 is treated with heat and / or radiation, wherein the at least one polymer starting material of the at least one additive 13 polymerized 13a ,

Beispielsweise kann in Verfahrensschritt c) die Anodenschicht 10 auf eine Temperatur erhitzt werden, welche um etwa 150 °C liegt. Vorteilhafterweise kann dabei nicht nur ein bei einer Polymerisierungstemperatur von ≤ 150 °C thermisch polymerisierbarer Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs 13 polymerisiert werden, sondern auch Wasser verdunstet und dadurch die Anodenschicht 10 getrocknet werden. So kann vorteilhafterweise ein Prozessschritt eingespart werden.For example, in method step c), the anode layer 10 be heated to a temperature which is about 150 ° C. Advantageously, not only a at a polymerization temperature of ≤ 150 ° C thermally polymerizable polymer starting material of the at least one additive 13 but also water evaporates and thereby the anode layer 10 be dried. Thus, advantageously, a process step can be saved.

Der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs 13 kann jedoch auch beispielsweise durch Strahlung, zum Beispiel ultraviolette Strahlung und/oder Gammastrahlung und/oder Elektronenstrahlung, insbesondere ultraviolette Strahlung, polymerisierbar sein. Dabei kann Verfahrensschritt c) die Anodenschicht 10 insbesondere mit ultravioletter Strahlung und/oder Gammastrahlung und/oder Elektronenstrahlung, insbesondere ultravioletter Strahlung, bestrahlt werden. Insofern in Verfahrensschritt c) lediglich eine Behandlung durch Strahlung durchgeführt wird, kann dabei die Anodenschicht 10 beispielsweise in einem Verfahrensschritt d) (nicht dargestellt) getrocknet werden.The at least one polymer starting material of the at least one additive 13 However, it can also be polymerisable, for example, by radiation, for example ultraviolet radiation and / or gamma radiation and / or electron radiation, in particular ultraviolet radiation. In this case, process step c) the anode layer 10 in particular with ultraviolet radiation and / or gamma radiation and / or electron radiation, in particular ultraviolet radiation, are irradiated. Insofar as only treatment by radiation is carried out in method step c), the anode layer can be used 10 for example, in a process step d) (not shown) to be dried.

2 zeigt schematische Querschnitte durch eine, durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellte Anode vor und nach dem ersten Ladezyklus L). 2 shows schematic cross-sections through an anode produced by a method according to the invention before and after the first charging cycle L).

2 zeigt, dass die Anode eine, auf einer Kupferfolie 1 aufgebrachte Schicht aus Anodenmaterial 10 umfasst. 2 zeigt, dass dabei die Anodenschicht 10 bereits vor dem ersten Laden beziehungsweise Zyklisieren mit einer Oberflächenschicht 13a versehen ist, welche durch wärme- und/oder strahlungsaktivierte Polymerisation eines Additivs ausgebildet ist. Dabei wurde das Additiv einer Masse zugemischt, aus der die Anodenmaterialschicht 10 ausgebildet wurde. 2 shows that the anode one, on a copper foil 1 applied layer of anode material 10 includes. 2 shows that while the anode layer 10 even before the first charging or cyclization with a surface layer 13a is provided, which is formed by heat and / or radiation-activated polymerization of an additive. In this case, the additive was added to a mass from which the anode material layer 10 was trained.

2 veranschaulicht, dass dadurch, dass die durch Wärme- und/oder Strahlungsbehandlung des Anodenmaterials 10 aus dem Additiv 13 ausgebildete Oberflächenschicht 13a bereits vor dem ersten Laden das Anodenmaterial 10 bedeckt und auf diese Weise eine Reaktion von Elektrolyt mit dem Anodenmaterial 10 und somit auch die Bildung einer SEI-Schicht auf dem Anodenmaterial 10 sowie ein SEI-bildungsbedingter Kapazitätsverlust verhindert wird. 2 illustrates that by that by heat and / or radiation treatment of the anode material 10 from the additive 13 formed surface layer 13a Already before the first loading the anode material 10 covered and in this way a reaction of electrolyte with the anode material 10 and thus also the formation of an SEI layer on the anode material 10 and SEI-induced capacity loss is prevented.

2 illustriert, dass sich nach dem Laden beziehungsweise Zyklisieren keine SEI-Schicht ausgebildet hat und ein Kapazitätsverlust durch SEI-Bildung durch die Oberflächenschicht 13a verhindert wurde. 2 illustrates that after loading or cycling, no SEI layer has formed and a loss of capacity due to SEI formation through the surface layer 13a was prevented.

Claims (14)

Herstellungsverfahren für eine Anode einer Lithium-Zelle, umfassend die Verfahrensschritte: a) Mischen mindestens eines Anodenaktivmaterials (11), mindestens eines Lösungsmittels (12) und mindestens eines Additivs (13), welches mindestens einen, durch Wärme und/oder Strahlung polymerisierbaren Polymer-Ausgangsstoff umfasst, b) Ausbilden einer Anodenschicht (10) aus der Masse (11–15) aus Verfahrensschritt a), und c) Behandeln der Anodenschicht (10) mit Wärme und/oder Strahlung, wobei der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs (13) polymerisiert (13a).A method of manufacturing an anode of a lithium cell, comprising the steps of: a) mixing at least one anode active material ( 11 ), at least one solvent ( 12 ) and at least one additive ( 13 ), which comprises at least one heat and / or radiation polymerizable polymer starting material, b) forming an anode layer (US Pat. 10 ) from the mass ( 11 - 15 ) from process step a), and c) treating the anode layer ( 10 ) with heat and / or radiation, wherein the at least one polymer starting material of the at least one additive ( 13 ) polymerized ( 13a ). Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Anodenschicht (10) in Verfahrensschritt c) auch getrocknet wird.A manufacturing method according to claim 1, wherein the anode layer ( 10 ) is also dried in process step c). Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs (13) bei einer Polymerisierungstemperatur von ≤ 150 °C thermisch polymerisierbar ist, wobei in Verfahrensschritt c) die Anodenschicht (10) auf eine Temperatur erhitzt wird, welche oberhalb der Polymerisierungstemperatur des mindestens einen Polymer-Ausgangsstoffs des mindestens einen Additivs (13) liegt.The production process according to claim 1 or 2, wherein the at least one polymer starting material of the at least one additive ( 13 ) is thermally polymerizable at a polymerization temperature of ≤ 150 ° C, wherein in process step c) the anode layer ( 10 ) is heated to a temperature which is above the polymerization temperature of the at least one polymer starting material of the at least one additive ( 13 ) lies. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs (13) durch ultraviolette Strahlung und/oder Gammastrahlung und/oder Elektronenstrahlung polymerisierbar ist, wobei in Verfahrensschritt c) die Anodenschicht (10) mit ultravioletter Strahlung und/oder Gammastrahlung und/oder Elektronenstrahlung bestrahlt wird. Production process according to one of claims 1 to 3, wherein the at least one polymer starting material of the at least one additive ( 13 ) is polymerizable by ultraviolet radiation and / or gamma radiation and / or electron radiation, wherein in process step c) the anode layer ( 10 ) is irradiated with ultraviolet radiation and / or gamma radiation and / or electron radiation. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs (13) selbst durch Wärme und/oder Strahlung zur Polymerisation initiierbar ist.Production process according to one of claims 1 to 4, wherein the at least one polymer starting material of the at least one additive ( 13 ) itself by heat and / or radiation for polymerization is initiated. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mindestens eine Polymer-Ausgangsstoff des mindestens einen Additivs (13) durch einen, durch Wärme und/oder Strahlung aktivierbaren Initiator zur Polymerisation initiierbar ist, wobei in Verfahrensschritt a) auch der Initiator zugemischt wird.Production process according to one of claims 1 to 5, wherein the at least one polymer starting material of the at least one additive ( 13 ) can be initiated by a, activatable by heat and / or radiation initiator for the polymerization, wherein in step a) and the initiator is added. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in Verfahrensschritt a) weiterhin mindestens ein Binder (14) zugemischt wird.Preparation process according to one of claims 1 to 6, wherein in process step a) further at least one binder ( 14 ) is mixed. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in Verfahrensschritt a) weiterhin mindestens ein elektrisches Leitmittel (15) zugemischt wird.Production process according to one of claims 1 to 7, wherein in process step a) further at least one electrical conducting agent ( 15 ) is mixed. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das mindestens eine Anodenaktivmaterial (11) ein Lithium-Interkalationsmaterial, insbesondere Graphit, und/oder ein Lithium-Legierungsmaterial, insbesondere Silicium oder eine Siliciumlegierung, ist.A manufacturing method according to any one of claims 1 to 8, wherein said at least one anode active material ( 11 ) is a lithium intercalation material, in particular graphite, and / or a lithium alloy material, in particular silicon or a silicon alloy. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in Verfahrensschritt b) ein elektrisch leitendes Substrat (1), insbesondere eine Kupferfolie (1), mit der Masse (11–15) aus Verfahrensschritt a) beschichtet wird.Production process according to one of claims 1 to 9, wherein in process step b) an electrically conductive substrate ( 1 ), in particular one Copper foil ( 1 ), with the mass ( 11 - 15 ) is coated from process step a). Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei Verfahrensschritt a) die Verfahrensschritte a1) und a2) umfasst: a1) Mischen des mindestens einen Lösungsmittels (12) mit dem mindestens einen Binder (14), a2) Zumischen des mindestens einen Anodenaktivmaterials (11), des mindestens einen Additivs (13) und des mindestens einen elektrischen Leitmittels (15) zu der Mischung aus Verfahrensschritt a1).Production process according to one of claims 1 to 10, wherein process step a) comprises process steps a1) and a2): a1) mixing the at least one solvent ( 12 ) with the at least one binder ( 14 ), a2) admixing the at least one anode active material ( 11 ), of the at least one additive ( 13 ) and the at least one electrical conductive agent ( 15 ) to the mixture from process step a1). Anodenmaterial (10) für eine Lithium-Zelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.Anode material ( 10 ) for a lithium cell, in particular a lithium-ion cell, produced by a method according to one of claims 1 to 11. Lithium-Zelle, insbesondere Lithium-Ionen-Zelle, umfassend ein Anodenmaterial (10) nach Anspruch 12.Lithium cell, in particular lithium-ion cell, comprising an anode material ( 10 ) according to claim 12. Lithium-Batterie, insbesondere Hochenergie-Lithium-Batterie, umfassend mindestens zwei Lithium-Zellen nach Anspruch 13.Lithium battery, in particular high-energy lithium battery, comprising at least two lithium cells according to claim 13.
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