DE102014224856A1 - Electrode with active material mixture and process for its preparation - Google Patents

Electrode with active material mixture and process for its preparation Download PDF

Info

Publication number
DE102014224856A1
DE102014224856A1 DE102014224856.6A DE102014224856A DE102014224856A1 DE 102014224856 A1 DE102014224856 A1 DE 102014224856A1 DE 102014224856 A DE102014224856 A DE 102014224856A DE 102014224856 A1 DE102014224856 A1 DE 102014224856A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
active material
frame
electrode
material mixture
graphite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102014224856.6A
Other languages
German (de)
Inventor
Stefan Doerne
Silvan Hippchen
Christoph Brehm
Rene Hornung
Andreas Netz
Lutz Baumgaertner
Armin Glock
Ahmed Louati
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102014224856.6A priority Critical patent/DE102014224856A1/en
Publication of DE102014224856A1 publication Critical patent/DE102014224856A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/76—Containers for holding the active material, e.g. tubes, capsules
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • H01G11/28—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features arranged or disposed on a current collector; Layers or phases between electrodes and current collectors, e.g. adhesives
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/66—Current collectors
    • H01G11/70—Current collectors characterised by their structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/663—Selection of materials containing carbon or carbonaceous materials as conductive part, e.g. graphite, carbon fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/665—Composites
    • H01M4/667—Composites in the form of layers, e.g. coatings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode (10) umfassend eine Aktivmaterialmischung (14), wobei die Aktivmaterialmischung (14) frei von Bindemitteln ist, wobei die Aktivmaterialmischung (14) von einem Rahmen (15) umschlossen ist, wobei der Rahmen (15) alle Oberflächen der Aktivmaterialmischung (14) überdeckt oder, wenn die Elektrode (10) des Weiteren einen Stromableiter (12) umfasst, die Aktivmaterialmischung (14) zumindest an den nicht vom Stromableiter (12) bedeckten Oberflächen mit einem Rahmen (15) überdeckt ist und der Rahmen (15) aus Graphit oder einer Mischung umfassend einen Binder besteht. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (10). Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie sowie einen Superkondensator, jeweils umfassend eine solche Elektrode (10) Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrode (10).The invention relates to an electrode (10) comprising an active material mixture (14), wherein the active material mixture (14) is free of binders, wherein the active material mixture (14) by a frame (15) is enclosed, wherein the frame (15) all surfaces of the Covered active material mixture (14) or, if the electrode (10) further comprises a current conductor (12), the active material mixture (14) at least at the not covered by the current conductor (12) surfaces with a frame (15) is covered and the frame ( 15) consists of graphite or a mixture comprising a binder. Another aspect of the invention relates to a method for producing an electrode (10). The invention further relates to a battery and to a supercapacitor, each comprising such an electrode (10). Another aspect of the invention relates to a method for producing such an electrode (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode umfassend eine Aktivmaterialmischung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrode sowie eine Batteriezelle und einen Superkondensator jeweils umfassend eine solche Elektrode.The invention relates to an electrode comprising an active material mixture. Furthermore, the invention relates to a method for producing such an electrode as well as a battery cell and a supercapacitor each comprising such an electrode.

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Energie kann mit Hilfe von Batterien in Form von chemischer Reaktionsenergie und über Kondensatoren in Form von Ladungen auf den Kondensatorelektroden gespeichert werden. Eine Batterie umfasst dabei mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode die mittels eines Separators getrennt werden. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte werden häufig Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, die sich außerdem durch eine äußerst geringe Selbstentladung auszeichnen. Bei den in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzten Lithium-Ionen-Batteriezellen wandern während des Ladens und Entladens der Batterie Lithium-Ionen von einer Elektrode zu anderen Elektrode. Als Aktivmaterialien für die Elektroden werden häufig Interkallationmaterialien eingesetzt, welche in der Lage sind Lithium-Ionen reversibel ein- und wieder auszulagern. Für den Transport der Lithium-Ionen wird ein sogenannter Lithium-Ionenleiter verwendet. Bei den derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Batteriezellen, die beispielsweise im Konsumer-Bereich (Mobiltelefon, MP3 Player, usw.) oder als Energiespeicher in Elektro- oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, ist der Lithium-Ionleiter häufig ein Flüssig-Elektrolyt, welcher beispielsweise das Lithium-Leitsalz Lithium-Hexa-Flourophospat (LiPF6) in organischen Lösemitteln gelöst enthält.Electrical energy can be stored by means of batteries in the form of chemical reaction energy and via capacitors in the form of charges on the capacitor electrodes. A battery comprises at least one positive and at least one negative electrode which are separated by means of a separator. Due to their high energy density lithium-ion batteries are often used, which are also characterized by an extremely low self-discharge. Lithium-ion battery cells used in lithium ion batteries move lithium ions from one electrode to another during charging and discharging of the battery. As active materials for the electrodes Interkallationmaterialien are often used, which are capable of lithium-ion reversible on and outsource. For the transport of lithium ions, a so-called lithium-ion conductor is used. In the lithium-ion battery cells currently used, which are used for example in the consumer sector (mobile phone, MP3 player, etc.) or as energy storage in electric or hybrid vehicles, the lithium ion conductor is often a liquid electrolyte, which, for example contains the lithium-conductive salt lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) dissolved in organic solvents.

Zur Herstellung der Elektroden wird eine Aktivmaterialmischung hergestellt, die das eigentliche Aktivmaterial, welches Lithium-Ionen ein- und auslagern kann, umfasst und verschiedene Additive enthält. Diese Additive können beispielsweise Materialien umfassen, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern wie beispielsweise ein Leitruß, eine Graphitmischung oder ein Elektrolyt, um die Ionenleitfähigkeit zu verbessern. Des Weiteren umfassen die Aktivmaterialmischungen üblicherweise einen Binder wie zum Beispiel PVdF (Polyvinylidenfluorid). To produce the electrodes, an active material mixture is produced which comprises the actual active material, which can incorporate and remove lithium ions, and contains various additives. For example, these additives may include materials to enhance electrical conductivity, such as a conductive black, a graphite mixture, or an electrolyte to enhance ionic conductivity. Furthermore, the active material mixtures usually comprise a binder such as PVdF (polyvinylidene fluoride).

Die Aktivmaterialmischung kann zum Auftragen auf einen Stromableiter in einem Lösungsmittel wie beispielsweise N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) zu einem Schlicker aufbereitet werden und anschließend in einem Gießverfahren aufgetragen werden. Dabei ist jedoch nachteilig, dass die Lösungsmittel oft teuer und umweltschädlich sind. Zudem ist es im Anschluss erforderlich, dass Lösungsmittel mit Hilfe von Trocknungsöfen aus dem Aktivmaterial zu entfernen, was weiteren Aufwand bedeutet.The active material mixture can be prepared for application to a current conductor in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to a slurry and then applied in a casting process. However, it is disadvantageous that the solvents are often expensive and harmful to the environment. In addition, it is then necessary to remove the solvent with the aid of drying ovens from the active material, which means further effort.

Aus WO 2006/001847 A1 ist ein lösungsmittelfreies Verfahren zum Herstellen von Elektroden für Superkondensatoren bekannt. Bei dem Verfahren wird eine Aktivmaterialmischung zu einem Film verpresst und anschließend mit einem Stromableiter verbunden. Die Aktivmaterialmischung umfasst ein expandiertes Graphit sowie einen Binder und wird unter hohem Druck in Kalandern zu einer Folie verpresst. Out WO 2006/001847 A1 is a solvent-free method for producing electrodes for supercapacitors known. In the process, an active material mixture is pressed into a film and then connected to a current collector. The active material mixture comprises an expanded graphite and a binder and is pressed under high pressure in calenders into a film.

Aus US 6,399,240 B1 ist eine Elektrodenstruktur bekannt, bei der für eine bessere Bindung zwischen der Elektrodenschicht und dem Stromableiter vorgesehen ist, den Stromableiter mit einem Bindemittel zu beschichten. Anschließend wird das Aktivmaterial mit dem beschichteten Stromableiter verbunden. In weiteren Varianten kann Bindemittel auch an den Seitenrändern der Elektrodenstruktur und auch teilweise auf der Oberseite des Aktivmaterials angeordnet werden, wobei das Bindemittel das Aktivmaterial nicht vollständig umschließt.Out US 6,399,240 B1 An electrode structure is known in which it is intended for a better bond between the electrode layer and the current conductor to coat the current conductor with a binder. Subsequently, the active material is connected to the coated current collector. In further variants, binder can also be arranged on the side edges of the electrode structure and also partially on the upper side of the active material, wherein the binder does not completely surround the active material.

Nachteilig am Stand der Technik ist, dass die verwendeten Binder elektrische Isolatoren darstellen, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der gesamten Elektrodenschicht reduziert wird. A disadvantage of the prior art is that the binders used are electrical insulators, whereby the electrical conductivity of the entire electrode layer is reduced.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird eine Elektrode für eine Batterie oder einen Superkondensator vorgeschlagen, umfassend eine Aktivmaterialmischung, wobei alle Oberflächen der Aktivmaterialmischung von einem Rahmen überdeckt sind, oder, wenn die Elektrode des Weiteren einen Stromableiter umfasst, ein Rahmen alle nicht vom Stromableiter bedeckten Oberflächen der Aktivmaterialmischung überdeckt. Der Rahmen besteht dabei aus einem Rahmenmaterial, welches Graphit umfasst.An electrode for a battery or a supercapacitor is proposed, comprising an active material mixture, wherein all surfaces of the active material mixture are covered by a frame, or, if the electrode further comprises a current conductor, a frame covers all non-current collector covered surfaces of the active material mixture. The frame consists of a frame material, which comprises graphite.

Die erfindungsgemäße Elektrode eignet sich als Elektrode für eine Batterie oder einen Superkondensator. Im Fall der Herstellung einer Batterie insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, umfasst die Aktivmaterialmischung ein Aktivmaterial, welches Lithium-Ionen ein- bzw. wieder auslagern kann sowie gegebenenfalls als Additive ein elektrisch leitfähiges Material und/oder einen Ionenleiter. Zudem umfasst die Aktivmaterialmischung Graphit, welches als Trägermaterial dient. Bevorzugt wird hierzu expandiertes Graphit verwendet, welches sich zu stabilen Folien verpressen lässt. Die Aktivmaterialmischung kann zudem einen Binder umfassen, wobei bevorzugt nur ein geringer Anteil an Binder verwendet wird und besonders bevorzugt auf den Einsatz eines Binders verzichtet wird, so dass die Aktivmaterialmischung frei von Bindern ist.The electrode according to the invention is suitable as electrode for a battery or a supercapacitor. In the case of manufacturing a battery, in particular a lithium-ion battery, the active material mixture comprises an active material which lithium ions can be switched on and off again and optionally as an electrically conductive material and / or an ion conductor. In addition, the active material mixture comprises graphite, which serves as a carrier material. For this purpose, expanded graphite is preferably used, which can be pressed into stable films. The active material mixture may also comprise a binder, wherein preferably only a small proportion of binder is used and more preferably the use of a binder is dispensed with so that the active material mixture is free of binders.

Im Rahmen dieser Beschreibung wird der Begriff „Batterie“ wie in der Umgangssprache üblich verwendet, so dass der Begriff sowohl Primärbatterien als auch Sekundärbatterien (Akkumulator) umfasst. Des Weiteren umfasst der Begriff „Batterie“ im Folgenden auch einzelne Batteriezellen. In the context of this description, the term "battery" is used as is common in the vernacular, so that the term includes both primary batteries and secondary batteries (accumulator). Furthermore, the term "battery" in the following also includes individual battery cells.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das leitfähige Material ausgewählt aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, einem Leitruß, Graphen, Graphit, Metallpartikel, behandelte Kohlenstoffpartikel, Metall-Nanoröhrchen, Kohlenstofffäden, Metallfäden oder einer Kombination mindestens zweier dieser Materialien. In one embodiment of the invention, the conductive material is selected from carbon nanotubes, carbon black, graphene, graphite, metal particles, treated carbon particles, metal nanotubes, carbon filaments, metal filaments, or a combination of at least two of these materials.

Das Aktivmaterial kann beispielsweise im Fall einer Kathode für eine Lithium-Ionen-Batterie ausgewählt sein aus einem lithiierten Übergangsmetalloxid, beispielsweise Li(NiCoMn)O2, LiMn2O4, Li2MO3-LiMO2 (wobei M beispielsweise Ni, Co, Mn, Mo, Cr, Fe, Ru oder V ist), LiMPO4 (wobei M beispielsweise Fe, Ni, Co oder Mn ist), Li(Ni0,5Mn1,5)O4, LixV2O5, LixV3O8 oder weitere dem Fachmann bekannte Kathodenmaterialien wie Borate, Phosphate, Flourophosphate, Silikate. Weitere Möglichkeiten für das Aktivmaterial sind beispielsweise ein lithiierter Schwefel.The active material may, for example in the case of a cathode for a lithium-ion battery, be selected from a lithiated transition metal oxide, for example Li (NiCoMn) O 2 , LiMn 2 O 4 , Li 2 MO 3 -LiMO 2 (where M is, for example, Ni, Co, Mn, Mo, Cr, Fe, Ru or V), LiMPO 4 (where M is, for example, Fe, Ni, Co or Mn), Li (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 4 , LixV 2 O 5 , LixV 3 O 8 or further cathode materials known to the person skilled in the art, such as borates, phosphates, fluorophosphates, silicates. Other possibilities for the active material include, for example, a lithiated sulfur.

Das Aktivmaterial im Falle der Anode ist beispielsweise augewählt aus einem Graphit oder Silizium.The active material in the case of the anode is, for example, selected from graphite or silicon.

Die im Folgenden beschriebenen Ionenleiter oder Additive können sowohl auf Anodenseite als auch auf Kathodenseite eingefügt werden. Der Ionleiter kann beispielsweise ein fester Elektrolyt auf Polyethylenoxid(PEO)-Basis oder auf Soja-Basis sein. Im Fall eines flüssigen Elektrolyten kann beispielsweise das Lithium-Leitsalz Lithium-Hexa-Flourophospat (LiPF6) in einem organischen Lösemittel gelöst eingesetzt werden.The ion conductors or additives described below can be inserted both on the anode side and on the cathode side. The ion conductor may be, for example, a solid polyethylene oxide (PEO) -based or soy-based electrolyte. In the case of a liquid electrolyte, for example, the lithium-conducting salt lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) can be used dissolved in an organic solvent.

Weitere Additive können beispielsweise zugegeben werden, um mögliche Nebenreaktion zwischen den einzelnen Komponenten der Aktivmaterialmischung zu unterbinden. Further additives can be added, for example, to prevent possible side reaction between the individual components of the active material mixture.

Sofern ein Stromableiter verwendet wird, ist dieser üblicherweise als Metallfolie ausgeführt, wobei beispielsweise im Fall der Herstellung einer Anode für eine Lithium-Ionen-Batterie eine Kupferfolie mit einer Dicke zwischen 6 µm und 12 µm verwendet wird. Bei der Herstellung einer Kathode für eine Lithium-Ion-Batteriezelle wird beispielsweise eine Aluminiumfolie mit einer Dicke zwischen 13 µm und 15 µm eingesetzt. If a current conductor is used, this is usually designed as a metal foil, wherein, for example, in the case of producing an anode for a lithium-ion battery, a copper foil having a thickness between 6 .mu.m and 12 .mu.m is used. In the manufacture of a cathode for a lithium-ion battery cell, for example, an aluminum foil with a thickness between 13 .mu.m and 15 .mu.m is used.

In weiteren Ausführungsvarianten ist es denkbar, anstelle einer Metallfolie eine mit einem Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium, beschichtete Kunststofffolie einzusetzen oder eine Graphitfolie zu verwenden. In further embodiments, it is conceivable to use a plastic film coated with a metal, in particular copper or aluminum, instead of a metal foil, or to use a graphite foil.

Die Aktivmaterialmischung mit dem expandierten Graphit und gegebenenfalls den Additiven ist bevorzugt frei von Bindemitteln, wodurch diese zum einen jedoch schlecht an dem Stromableiter der Elektrode anhaftet und zum anderen eine geringe Stabilität aufweist. Es ist daher vorgesehen, die Aktivmaterialmischung mit einem Rahmen zu versehen. Durch den Rahmen wird verhindert, dass die Aktivmaterialmischung bzw. Teile davon sich von der Elektrode lösen können. The active material mixture with the expanded graphite and optionally the additives is preferably free of binders, whereby on the one hand, however, this badly adheres to the current conductor of the electrode and on the other hand has a low stability. It is therefore intended to provide the active material mixture with a frame. The frame prevents the active material mixture or parts thereof from being able to detach from the electrode.

Für den Rahmen wird bevorzugt ein Rahmenmaterial verwendet, welches Graphit enthält. Das Rahmenmaterial enthält zumindest verpresstes, expandiertes Graphit, so dass ein Rahmen entsteht, welcher eine mechanische Barriere darstellt, die die Aktivmaterialmischung umschließt. Aktivmaterial ist im Rahmenmaterial bevorzugt nicht enthalten, wobei es an den Grenzen zwischen dem Rahmen und der Aktivmaterialmischung zu einer leichten Durchmischung kommen kann. Der Rahmen ist wegen eines gegenüber der Aktivmaterialmischung erhöhten Anteiles an expandiertem Graphit stabiler und wesentlich dichter als die Aktivmaterialmischung. Sowohl in der Aktivmaterialmischung als auch im Rahmen können zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit auch ein leitfähiges Material zugegeben werden.For the frame, a frame material containing graphite is preferably used. The frame material contains at least compressed, expanded graphite, so that a frame is formed, which represents a mechanical barrier, which encloses the active material mixture. Active material is preferably not included in the frame material, and there may be slight mixing at the boundaries between the frame and the active material mixture. The frame is more stable and substantially denser than the active material mixture because of an increased amount of expanded graphite compared to the active material mixture. Both in the active material mixture and in the frame, a conductive material can be added to increase the electrical conductivity.

Ebenfalls ist es möglich, dem Rahmenmaterial einen Binder zuzugeben, so dass das Rahmenmaterial eine Mischung aus Graphit und einem Binder umfasst.It is also possible to add a binder to the frame material so that the frame material comprises a mixture of graphite and a binder.

Die im Zusammenhang mit dem Rahmenmaterial und gegebenenfalls mit der Aktivmaterialmischung verwendeten Binder sind häufig Kunststoffe bzw. Polymere. Als Binder ist beispielsweise PVdF (Polyvinylidenfluorid) geeignet. Wird der Binder im Rahmenmaterial eingesetzt muss dieser kein Aktivmaterial mehr binden, der Binder dient lediglich der Stabilität bzw. der Elastizität des Rahmens. Eine hohe Elastizität ist insbesondere im Zusammenhang mit Batterieelektroden vom Vorteil, bei denen es beim Laden bzw. beim Entladen zu einer Volumenänderung kommt. Wird eine hohe Elastizität benötigt kann für das Rahmenmaterial als Binder auch ein Elastomer wie beispielsweise ein Silikon verwendet werden.The binders used in connection with the frame material and optionally with the active material mixture are often plastics or polymers. For example, PVdF (polyvinylidene fluoride) is suitable as a binder. If the binder is used in the frame material, it no longer has to bind any active material; the binder merely serves to ensure the stability or elasticity of the frame. High elasticity is particularly advantageous in connection with battery electrodes in which a volume change occurs during charging or discharging. If a high elasticity is required, an elastomer such as a silicone may also be used as the binder for the frame material.

In einer Variante der Erfindung wird die Aktivmaterialmischung direkt auf dem Stromableiter angeordnet und der Rahmen überdeckt die nicht vom Stromableiter überdeckten Oberflächen der Aktivmaterialmischung. Dadurch wird ein optimaler elektrischer Übergang von der Aktivmaterialmischung zum Stromableiter ermöglicht.In a variant of the invention, the active material mixture is arranged directly on the current collector and the frame covers the surfaces of the active material mixture which are not covered by the current conductor. This allows an optimal electrical transition from the active material mixture to the current collector.

Die erste Schicht umfasst einen inneren Bereich, der aus der Aktivmaterialmischung besteht, und einen äußeren Bereich, der den inneren Bereich umschließt. Der äußere Bereich besteht aus dem Rahmenmaterial. The first layer comprises an inner region consisting of the active material mixture and an outer region enclosing the inner region. The outer area consists of the frame material.

Die zweite Schicht folgt auf die erste Schicht und besteht vollständig aus dem Rahmenmaterial.The second layer follows the first layer and consists entirely of the frame material.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Elektrode einen Stromableiter, wobei der Rahmen auch die dem Stromableiter zugewandte Oberfläche der Aktivmaterialmischung überdeckt, sodass die Aktivmaterialmischung durch den Rahmen vollständig umschlossen ist. Dabei kann der Teil des Rahmens mit Kontakt zum Stromableiter die Haftung zwischen Stromableiter und Aktivmaterial verbessern.In one embodiment of the invention, the electrode comprises a current collector, wherein the frame also covers the surface of the active material mixture facing the current collector, so that the active material mixture is completely enclosed by the frame. In this case, the part of the frame with contact with the current conductor can improve the adhesion between current collector and active material.

In dieser Ausführungsform ist die Aktivmaterialmischung nicht mehr direkt mit dem Stromableiter verbunden. Die Elektrode umfasst eine Schichtstruktur, die auf dem Stromableiter angeordnet ist und ausgehend vom Stromableiter zunächst eine Verbindungsschicht, dann eine erste Schicht und dann anschließend eine zweite Schicht umfasst. Die Verbindungsschicht ist in einer Ausführungsform der Elektrode aus Rahmenmaterial gebildet. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es denkbar, für die Verbindungsschicht ein Verbindungsmaterial einzusetzen, welches sich vom verwendeten Rahmenmaterial und von der verwendeten Aktivmaterialmischung unterscheidet.In this embodiment, the active material mixture is no longer directly connected to the current conductor. The electrode comprises a layer structure which is arranged on the current collector and, starting from the current conductor, first comprises a connection layer, then a first layer and then subsequently a second layer. The bonding layer is formed of frame material in one embodiment of the electrode. In a further embodiment of the invention, it is conceivable to use a connecting material for the connecting layer which differs from the frame material used and from the active material mixture used.

In einer Ausführungsform umfasst die Elektrode keinen Stromableiter. Das Aktivmaterial wird in dieser Variante vollständig vom Rahmenmaterial eingekapselt und ist vollständig umschlossen. Der Rahmen hält hierbei die Aktivmaterialmischung zusammen und sorgt für die notwendige mechanische Stabilität. Wenn dem Rahmenmaterial ein leitfähiges Material zugegeben wird, dient der Rahmen auch als Stromableiter zur elektrischen Kontaktierung der Elektrode.In one embodiment, the electrode does not include a current conductor. The active material is completely encapsulated in this variant of the frame material and is completely enclosed. The frame holds the active material mixture together and provides the necessary mechanical stability. When a conductive material is added to the frame material, the frame also serves as a current conductor for electrically contacting the electrode.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Rahmen porös ausgeführt, sodass eine Ionenleitung durch den Rahmen hindurch und/oder ein Elektrolytfluss durch den Rahmen hindurch verbessert wird. Dabei wird die Porengröße bevorzugt kleiner als die Korngrößen der in der Aktivmaterialmischung enthaltenen Komponenten gewählt.In one embodiment of the invention, the frame is made porous so that ionic conduction through the frame and / or electrolyte flow through the frame is improved. The pore size is preferably chosen to be smaller than the particle sizes of the components contained in the active material mixture.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrode. Dabei gelten die zur Elektrode beschriebenen Merkmale entsprechend für das Verfahren, und umgekehrt gelten im Rahmen des Verfahrens beschriebenen Merkmale entsprechend für die Elektrode. Another aspect of the invention relates to a method for producing such an electrode. In this case, the features described for the electrode apply correspondingly to the method, and vice versa apply in the context of the method described features corresponding to the electrode.

Das Verfahren zur Herstellung einer Elektrode umfasst das Bereitstellen einer Aktivmaterialmischung und eines Rahmenmaterials als Ausgangsmaterialien wobei anschließend entweder

  • a) das Rahmenmaterial und die Aktivmaterialmischung gemeinsam in eine Pressvorrichtung eingegeben und verpresst werden, wobei die Ausgangsmaterialien über mehrere Auftragssysteme räumlich verteilt in die Pressvorrichtung eingegeben werden, oder
  • b) ein Stromableiter oder ein Träger bereitgestellt wird und eine erste Schicht aufgetragen wird, wobei die erste Schicht einen inneren Bereich aufweist, der aus einer Aktivmaterialmischung besteht und einen den inneren Bereich umschließenden äußeren Bereich umfasst, der aus einem Rahmenmaterial besteht und anschließend Auftragen einer zweiten Schicht aus Rahmenmaterial, wobei die jeweiligen Schichten nach dem Auftragen kompaktiert werden und anschließend gemeinsam in einer Pressvorrichtung verpresst werden,
wobei das Rahmenmaterial Graphit umfasst. The method of making an electrode involves providing an active material mixture and a framework material as starting materials, followed by either
  • a) the frame material and the active material mixture are input and pressed together in a pressing device, wherein the starting materials are distributed over several application systems spatially distributed in the pressing device, or
  • b) providing a current collector or a carrier and applying a first layer, the first layer having an inner region consisting of an active material mixture and comprising an outer region surrounding the inner region consisting of a frame material and then applying a second Layer of frame material, wherein the respective layers are compacted after application and then pressed together in a pressing device,
wherein the frame material comprises graphite.

In beiden Varianten a) und b) liegt eine Aktivmaterialmischung vor, die trocken, d.h. ohne Verwendung von Lösungsmitteln, verpresst wird. In both variants a) and b) there is an active material mixture which is dry, i. without use of solvents, is pressed.

Im Fall b) werden die Ausgangsmaterialien schichtweise auf den Stromableiter oder auf den Träger aufgegeben und kompaktiert. Nachdem alle Schichten aufgetragen wurden, wird das durch die einzelnen Schichten gebildete Schichtsystem anschließend mit Hilfe einer Pressvorrichtung verpresst. Die Pressvorrichtung kann Beispielsweise als Kalander ausgeführt sein, wobei das Schichtsystem durch das Durchlaufen von Kalanderwalzen verpresst wird. Wird ein Trägermaterial eingesetzt kann dieses nach dem Durchlaufen des Kalanders entfernt werden oder, sofern die vorherige Kompaktierung ausreichend stark ist, kann der Träger auch vor dem Eingeben in den Kalander entfernt werden. Je nach Ausführungsvariante des Verfahrens kann dabei zunächst mit einem ersten Auftragssystem die Aktivmaterialmischung aufgetragen werden. Die Aktivmaterialmischung wird anschließend kompaktiert, beispielsweise mit Hilfe von Walzen oder mit einem Rakel. Danach kann mit Hilfe eines weiteren Auftragssystems das Rahmenmaterial auf die freiliegenden Oberflächen der Aktivmaterialmischung aufgetragen werden. Dabei ist es denkbar, dass z. B zunächst Graphit und anschließend Binder aufgetragen wird.In case b), the starting materials are placed in layers on the current collector or on the carrier and compacted. After all layers have been applied, the layer system formed by the individual layers is then pressed using a pressing device. The pressing device can be designed, for example, as a calender, wherein the layer system is pressed by passing through calender rolls. If a carrier material is used, this can be removed after passing through the calender or, if the previous compaction is sufficiently strong, the carrier can also be removed before entering into the calender. Depending on the variant of the method, the active material mixture can first be applied with a first application system. The active material mixture is then compacted, for example by means of rollers or with a doctor blade. Thereafter, with the aid of a further application system, the frame material can be applied to the exposed surfaces of the active material mixture. It is conceivable that z. B first graphite and then binder is applied.

Für das Auftragen des Rahmenmaterials ist es auch denkbar eine bewegliche Düse einzusetzen, die über die gesamte Fläche des Stromableiters oder des Trägers bewegbar ist und gezielt in der Art eines 3D-Druckers oder Inkjet-Druckers den Binder und/oder das Rahmenmaterial auf die außenliegenden Flächen der Aktivmaterialmischung abgeben kann. For the application of the frame material, it is also conceivable to use a movable nozzle, which is movable over the entire surface of the current conductor or the carrier and specifically in the manner of a 3D printer or inkjet printer, the binder and / or can deliver the frame material to the outer surfaces of the active material mixture.

Im Fall a) des Verfahrens werden die Ausgangsmaterialien zur gleichen Zeit aber räumlich verteilt in eine Pressvorrichtung eingegeben. Ist die Pressvorrichtung als Kalander ausgeführt, werden die Ausgangsmaterialien entsprechend räumlich verteilt in einen Kalanderspalt eingegeben. Dabei werden mehrere Auftragssysteme bzw. ein Auftragssystem mit mehreren Düsen verwendet, so dass die verschiedenen Ausgangsmaterialien räumlich so angeordnet in den Kalanderspalt eingegeben werden, dass die Aktivmaterialmischung vom Rahmenmaterial umschlossen wird. Die eingegebenen Ausgangsmaterialien werden gemeinsam verpresst, wobei die räumliche Anordnung der Materialien im Wesentlichen erhalten bleibt, wobei mit im Wesentlichen gemeint ist, dass es in einem Übergangsbereich zwischen dem Rahmenmaterial und dem Aktivmaterial zu einer geringen Vermischung der Ausgangsmaterialien kommen kann.In the case a) of the process, the starting materials are introduced at the same time but spatially distributed in a pressing device. If the pressing device is designed as a calender, the starting materials are spatially distributed in a calender nip. In this case, several application systems or an application system with a plurality of nozzles are used so that the different starting materials are arranged spatially arranged in the calender nip that the active material mixture is enclosed by the frame material. The input starting materials are pressed together while substantially maintaining the spatial arrangement of the materials, essentially meaning that little mixing of the starting materials can occur in a transition region between the frame material and the active material.

Anstelle eines Kalanders ist es auch denkbar, als Pressvorrichtung eine statische Presse zu verwenden.Instead of a calender, it is also conceivable to use a static press as pressing device.

In allen Fällen Verfahrens erfolgt das Zugeben beziehungsweise das Auftragen des Rahmenmaterials und der Aktivmaterialmischung aus getrennten Materialquellen. Dabei wird im Fall b) im inneren Bereich die Aktivmaterialmischung eingesetzt und im äußeren Bereich wird das Rahmenmaterial eingesetzt. In weiteren Ausführungsformen ist es denkbar, zusätzlich weitere Materialmischungen beispielsweise zur Funktions- oder Haftungsoptimierung in weiteren Schichten oder Bereichen aufzutragen.In all cases, the process of adding or applying the frame material and the active material mixture takes place from separate material sources. In the case b), the active material mixture is used in the inner region and the frame material is used in the outer region. In further embodiments, it is conceivable to additionally apply further material mixtures, for example for functional or adhesion optimization in further layers or areas.

Ein Auftrag von verschiedenen Materialien in der gleichen Schicht kann beispielsweise über mehrere Auftragssysteme erfolgen, wobei diese Auftragssysteme jeweils aus Dosiereinheit und Fördereinheit bestehen (beispielsweise einem Vibrationsförderer, einem Trichter oder dergleichen). Die Schichtdicke kann dabei beispielsweise mit einem Rakel eingestellt werden und die Schicht kann mit dem Rakel auch vorverdichtet werdenAn order of different materials in the same layer can, for example, take place via a plurality of applicator systems, these applicator systems respectively consisting of metering unit and conveyor unit (for example a vibratory conveyor, a funnel or the like). The layer thickness can be adjusted for example with a doctor blade and the layer can also be precompressed with the doctor blade

In weiteren Ausführungsformen ist es möglich, dem Rahmenmaterial ein schaumbildendes Mittel, auch Schaumbatch genannt, zuzugeben. Das schaumbildende Mittel ist ein Material, welches dem Rahmenmaterial oder auch der Aktivmaterialmischung als Feststoff zugegeben wird und durch Temperaturerhöhung sublimiert. So kann ein Gas entstehen, welches sich anschließend verflüchtigt und dabei eine offene Porosität einstellt. Beispielsweise kann das Rahmenmaterial gekühlt werden und Trockeneis (CO2) zugegeben werden, welches bei Temperaturerhöhung direkt in die Gasphase übergeht ohne vorher flüssig zu werden.In further embodiments, it is possible to add to the frame material a foam-forming agent, also called foam batch. The foam-forming agent is a material which is added to the frame material or the active material mixture as a solid and sublimated by increasing the temperature. Thus, a gas can form, which then volatilizes and thereby sets an open porosity. For example, the frame material can be cooled and dry ice (CO 2 ) is added, which passes directly to the gas phase when the temperature increases without first becoming liquid.

In einer Variante der Erfindung wird die Aktivmaterialmischung erhalten durch ein Verfahren umfassend die Schritte

  • i. Behandeln von Graphit mit einer Säure, um expandierbaren Graphit zu erhalten.
  • ii. Mischen des expandierbaren Graphits mit einem Aktivmaterial, einem leitfähigen Material und ggf. weiteren Additiven,
  • iii. Temperieren des Graphits bei einer Temperatur zwischen ca. 850 und 900 °C, wobei expandierter Graphit entsteht.
In a variant of the invention, the active material mixture is obtained by a process comprising the steps
  • i. Treating graphite with an acid to obtain expandable graphite.
  • II. Mixing the expandable graphite with an active material, a conductive material and optionally further additives,
  • iii. Tempering the graphite at a temperature between about 850 and 900 ° C, wherein expanded graphite is formed.

Im ersten Schritt i. wird Graphit, beispielsweise Naturgraphit, mit einer Säure behandelt. Dabei sind insbesondere Säuren wie beispielsweise Chromsäure und Schwefelsäure geeignet. Durch die Säurebehandlung wird expandierbarer Graphit erhalten, der im nachfolgenden Schritt ii. mit den Aktivmaterialien und ggf. weiteren Materialien wie einem leitfähigen Material, einem Elektrolyten oder weiteren Additiven homogen vermischt wird. Anschließend wird die Mischung bei einer Temperatur im Bereich von 850 bis 900 °C behandelt, wobei es zur Expansion des Graphits zum expandierten Graphit kommt.In the first step i. For example, graphite, such as natural graphite, is treated with an acid. In particular, acids such as chromic acid and sulfuric acid are suitable. By the acid treatment expandable graphite is obtained, which in the subsequent step ii. is homogeneously mixed with the active materials and optionally other materials such as a conductive material, an electrolyte or other additives. Subsequently, the mixture is treated at a temperature in the range of 850 to 900 ° C, which comes to expand the graphite to expanded graphite.

Als Ergebnis wird ein Graphitgeflecht mit hohem Volumen erhalten, wobei bis zu eine 300-fachen Volumenausdehnung gegenüber dem Volumen vor der Temperaturbehandlung möglich ist. Das erhaltene expandierte Graphit schließt die zugegebenen Materialien, also die Aktivmaterialien, die leitfähigen Materialien und die weiteren Additive, ein, sodass diese in der Struktur des Geflechtes gefangen sind. As a result, a high volume graphite mesh is obtained, with up to 300 times volume expansion over the volume before temperature treatment. The resulting expanded graphite includes the added materials, that is, the active materials, the conductive materials, and the other additives, so that they are trapped in the structure of the braid.

Die so erhaltene Aktivmaterialmischung lässt sich ohne Zusatz von einem Binder in einer Pressvorrichtung zu einem flexiblen Film pressen und gegebenenfalls mit einem Stromableiter verbinden. Als Pressvorrichtung ist beispielsweise eine statische Presse oder ein Kalander geeignet.The active material mixture thus obtained can be pressed into a flexible film without the addition of a binder in a pressing device and optionally connected to a current conductor. As a pressing device, for example, a static press or a calender is suitable.

Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine Batteriezelle und einen Superkondensator jeweils umfassend mindestens eine der hierin beschriebenen Elektroden.Further aspects of the invention relate to a battery cell and a supercapacitor, each comprising at least one of the electrodes described herein.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Mit den erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Elektrode erhalten werden, wobei die verwendete Aktivmaterialmischung bevorzugt frei von Bindern ist oder mit reduzierten Binderanteilen hergestellt werden kann. Da die üblicherweise verwendeten Binder elektrische Isolatoren darstellen, wird bei den Elektroden gemäß des Standes der Technik die elektrische Leitfähigkeit der Elektrodenschicht durch den eingesetzten Binder stark vermindert. Die erfindungsgemäße Elektrode kommt ohne den Einsatz eines Binders in der Aktivmaterialmischung aus, da die Aktivmaterialmischung von einem stabilen Rahmen eingekapselt ist. With the method according to the invention, an electrode can be obtained, wherein the active material mixture used is preferably free of binders or can be prepared with reduced binder proportions. Since the commonly used binders are electrical insulators, in the prior art electrodes, the electrical conductivity of the electrode layer is transmitted greatly reduces the binder used. The electrode according to the invention does not require the use of a binder in the active material mixture, since the active material mixture is encapsulated by a stable frame.

Der verwendete Rahmen sorgt zum einen dafür, dass die Aktivmaterialmischung zusammengehalten wird und sich nicht Teile der Aktivmaterialmischung vom Stromableiter ablösen. Dies ermöglicht es in einigen Varianten der Erfindung auf einen als Metallfolie ausgeführten Stromableiter zu verzichten. Zum anderen ist es in Varianten der Erfindung mit einem Stromableiter vorgesehen, zwischen dem Stromableiter und der Aktivmaterialmischung eine Verbindungsschicht anzuordnen. Durch diese Verbindungsschicht wird das Anhaften der Aktivmaterialmischung auf dem Stromableiter stark verbessert. Dabei ist es denkbar, für die Verbindungsschicht eine speziell optimierte Materialzusammensetzung zu wählen, die die besten Hafteigenschaften verspricht.The frame used ensures that the active material mixture is held together and does not detach parts of the active material mixture from the current conductor. This makes it possible in some variants of the invention to dispense with a designed as a metal foil current conductor. On the other hand, it is provided in variants of the invention with a current conductor to arrange a connecting layer between the current conductor and the active material mixture. This bonding layer greatly improves the adhesion of the active material mixture to the current conductor. It is conceivable to choose a specially optimized material composition for the bonding layer, which promises the best adhesive properties.

In vorteilhaften Ausführungsformen umfasst der Rahmen Poren, durch die eine Ionenleitung und ggf. ein Fluss von Elektrolyt verbessert wird. Kurze Beschreibung der ZeichnungenIn advantageous embodiments, the frame comprises pores, through which ionic conduction and possibly a flow of electrolyte is improved. Brief description of the drawings

1 zeigt einen Ausschnitt einer Elektrode in Schnittdarstellung, 1 shows a section of an electrode in sectional view,

2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Elektrode in Schnittdarstellung und 2 shows a further embodiment of the electrode in sectional view and

3 zeigt eine Ausführungsform der Elektrode ohne Stromableiter in Schnittdarstellung. 3 shows an embodiment of the electrode without Stromableiter in section.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbespiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar components and elements are designated by the same reference numerals, wherein a repeated description of the components or elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.

In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode 10 dargestellt. In 1 is a first embodiment of an electrode according to the invention 10 shown.

Die Elektrode 10 umfasst einen Stromableiter 12 auf die eine erste Schicht 20 aufgetragen wurde. Diese erste Schicht 20 umfasst einen inneren Bereich 30 sowie einen den inneren Bereich 30 umschließenden äußeren Bereich 32. Der innere Bereich 30 der Schicht 20 besteht aus einer Aktivmaterialmischung 14 wohingegen der äußere Bereich 32 der ersten Schicht 20 aus einem Rahmenmaterial 16 besteht. Auf der dem Stromableiter 12 abgewandten Seite der ersten Schicht 20 ist ferner eine zweite Schicht 22 angeordnet. Die zweite Schicht 22 besteht aus dem Rahmenmaterial 16. The electrode 10 includes a current collector 12 on the first layer 20 was applied. This first layer 20 includes an inner area 30 as well as the inner area 30 surrounding outer area 32 , The inner area 30 the layer 20 consists of an active material mixture 14 whereas the outer area 32 the first layer 20 from a frame material 16 consists. On the current conductor 12 opposite side of the first layer 20 is also a second layer 22 arranged. The second layer 22 consists of the frame material 16 ,

Das Rahmenmaterial 16 ist so angeordnet, dass es einen Rahmen 15 ausbildet, der die freiliegenden Oberflächen der Aktivmaterialmischung 14 vollständig umschließt.The frame material 16 is arranged so that there is a frame 15 which forms the exposed surfaces of the active material mixture 14 completely encloses.

Handelt es sich bei der Elektrode 10 beispielsweise um eine Elektrode 10 für eine Lithium-Ionen-Batterie insbesondere um eine Kathode, so ist der Stromableiter 12 beispielsweise als eine Aluminiumfolie ausgeführt. Die Aktivmaterialmischung 14 besteht dann beispielsweise aus einer Mischung aus expandierbaren Graphit mit einem Aktivmaterial für die Kathode sowie ggf. weiteren Zusätzen wie beispielsweise einem leitfähigen Material und/oder einem Elektrolyten. Is it the electrode 10 for example, an electrode 10 for a lithium-ion battery, in particular a cathode, so is the current conductor 12 for example, designed as an aluminum foil. The active material mixture 14 then consists for example of a mixture of expandable graphite with an active material for the cathode and optionally other additives such as a conductive material and / or an electrolyte.

Im Fall von einer Elektrode 10 für einen Superkondensator ist der Stromableiter 12 beispielsweise als eine Aluminiumfolie ausgeführt. Die Aktivmaterialmischung 14 umfasst dann beispielsweise eine Mischung aus expandierbaren Graphit mit anderen Graphitformen sowie gegebenenfalls weiteren Zusätzen wie beispielsweise einem leitfähigen Material und/oder einem Elektrolyten. In the case of an electrode 10 for a supercapacitor is the current conductor 12 for example, designed as an aluminum foil. The active material mixture 14 then includes, for example, a mixture of expandable graphite with other graphite forms and optionally other additives such as a conductive material and / or an electrolyte.

Gegebenenfalls kann sowohl für die Batterie als auch für den Kondensator auf die Stromableiterfolie verzichtet werden wie später mit Bezug zu 3 beschrieben.Optionally, both the battery and the capacitor can be dispensed with the current collector foil as later with reference to 3 described.

2 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode 10 ebenfalls in einer Schnittdarstellung. 2 shows a section of a further embodiment of an electrode according to the invention 10 also in a sectional view.

Die Elektrode 10 umfasst wieder den Stromableiter 12. Auf dem Stromableiter 12 wird zunächst eine Verbindungsschicht 24 aufgetragen, wodurch sich eine erste Grenzschicht 41 zwischen dem Stromableiter 12 und der Verbindungsschicht 24 ausbildet. In einem weiteren Schritt wird auf die freie Seite der Verbindungsschicht 24 eine erste Schicht 20 aufgetragen, sodass sich zwischen der Verbindungsschicht 24 und der ersten Schicht 20 eine zweite Grenzschicht 42 ausbildet. In einem dritten Schritt wird eine zweite Schicht 22 auf die freie Seite der ersten Schicht 20 aufgetragen, wodurch sich eine dritte Grenzschicht 43 ausbildet. Die so gebildete Schichtstruktur umfasst in dieser Reihenfolge den Stromableiter 12, die Verbindungsschicht 24, die erste Schicht 20 und die zweite Schicht 22. The electrode 10 includes again the current conductor 12 , On the current collector 12 first becomes a connection layer 24 applied, resulting in a first boundary layer 41 between the current conductor 12 and the tie layer 24 formed. In a further step is on the free side of the connection layer 24 a first layer 20 applied, so that between the connection layer 24 and the first layer 20 a second boundary layer 42 formed. In a third step becomes a second layer 22 on the free side of the first layer 20 applied, resulting in a third boundary layer 43 formed. The layer structure thus formed comprises the current conductor in this order 12 , the connecting layer 24 , the first layer 20 and the second layer 22 ,

In der in 2 dargestellten Ausführungsvariante umfassen die Verbindungsschicht 24 und die erste Schicht 20 jeweils den inneren Bereich 30, der von dem äußeren Bereich 32 umschlossen wird. In the in 2 illustrated embodiment include the connection layer 24 and the first layer 20 each the inner area 30 that of the outer area 32 is enclosed.

Dabei wird in der in 2 dargestellten Ausführungsvariante in der Verbindungsschicht 24 im äußeren Bereich 32 das Rahmenmaterial 16 verwendet und im inneren Bereich 30 ein Verbindungsmaterial 18. Das Verbindungsmaterial 18 unterscheidet sich vom eingesetzten Rahmenmaterial 16 und von der Aktivmaterialmischung 14. Das Verbindungsmaterial 18 umfasst beispielsweise eine Mischung aus Bindern wie Polyvinylidenfluorid, expandierbaren Graphit, andere Graphitformen sowie gegebenenfalls weiteren Zusätzen wie beispielsweise einem leitfähigen Material und/oder einem Elektrolyten. It will be in the in 2 illustrated embodiment in the connection layer 24 in the outer area 32 the frame material 16 used and in the inner area 30 a connecting material 18 , The connecting material 18 differs from the frame material used 16 and from the active material mixture 14 , The connecting material 18 includes, for example, a mixture of binders such as polyvinylidene fluoride, expandable graphite, other graphite forms and optionally other additives such as a conductive material and / or an electrolyte.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es jedoch denkbar, anstelle eines speziellen Verbindungsmaterials 18 ebenfalls das Rahmenmaterial 16 im inneren Bereich 30 zu verwenden. Ebenso ist es in einer weiteren Ausführungsvariante denkbar, das Verbindungsmaterial 18 nicht nur im inneren Bereich 30 sondern auch im äußeren Bereich 32 der Verbindungsschicht 24 einzusetzen. In a further embodiment of the invention, however, it is conceivable, instead of a special connecting material 18 also the frame material 16 in the inner area 30 to use. Likewise, it is conceivable in a further embodiment, the connecting material 18 not only in the inner area 30 but also in the outer area 32 the connection layer 24 use.

Die erste Schicht 20 umfasst genau wie zur 1 bereits beschrieben den inneren Bereich 30 und den äußeren Bereich 32, wobei im äußeren Bereich 32 das Rahmenmaterial 16 und im inneren Bereich 30 die Aktivmaterialmischung 14 eingesetzt wird. Auch die zweite Schicht 22 ist identisch zu der Ausführungsform der 1 und umfasst ausschließlich das Rahmenmaterial 16. The first shift 20 includes as well as 1 already described the inner area 30 and the outer area 32 , being in the outer area 32 the frame material 16 and in the inner area 30 the active material mixture 14 is used. Also the second layer 22 is identical to the embodiment of 1 and includes only the frame material 16 ,

In der in 2 dargestellten Situation wird die Aktivmaterialmischung 14 an allen Oberflächen bis auf die Oberfläche, die der zweiten Grenzschicht 42 entspricht, durch das Rahmenmaterial 16 umschlossen. An der Oberfläche die der zweiten Grenzschicht 42 entspricht, wird die Aktivmaterialmischung 14 durch das Verbindungsmaterial 18 umschlossen. So wird in dieser Ausführungsform der Rahmen 15 gebildet aus dem Rahmenmaterial 16 und dem Verbindungsmaterial 18, wobei der Rahmen 15 die Aktivmaterialmischung 14 umschließt. In the in 2 the situation shown becomes the active material mixture 14 on all surfaces except the surface, that of the second boundary layer 42 corresponds, through the frame material 16 enclosed. On the surface of the second boundary layer 42 corresponds, the active material mixture becomes 14 through the connecting material 18 enclosed. Thus, in this embodiment, the frame becomes 15 formed from the frame material 16 and the connecting material 18 , where the frame 15 the active material mixture 14 encloses.

In weiteren Varianten ist es wie bereits beschrieben denkbar, in der Verbindungsschicht 24 anstelle des Verbindungsmaterials 18 ebenfalls das Rahmenmaterial 16 einzusetzen. In dieser Variante wird die Aktivmaterialmischung 14 vollständig von einem Rahmen 15 bestehend aus dem Rahmenmaterial 16 umschlossen. In other variants, as already described, it is conceivable in the connection layer 24 instead of the connecting material 18 also the frame material 16 use. In this variant, the active material mixture 14 completely from a frame 15 consisting of the frame material 16 enclosed.

In beiden Fällen haftet das Material der Verbindungsschicht 24 besser an der Aktivmaterialmischung 14 als der Stromableiter 12, sodass der Zusammenhalt der Elektrode 10 verbessert wird. In both cases, the material adheres to the bonding layer 24 better on the active material mixture 14 as the current conductor 12 so that the cohesion of the electrode 10 is improved.

3 zeigt eine Ausführungsform der Elektrode 10 ohne Stromableiter in Schnittdarstellung. 3 shows an embodiment of the electrode 10 without current collector in section.

Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform der Elektrode 10 wurden die Aktivmaterialmischung 14 und das Rahmenmaterial 16 gemeinsam in eine Pressvorrichtung, beispielsweise einen Kalanderspalt, eingegeben und verpresst. Dabei wurde mit Hilfe eines mehrteiligen Auftragssystems die Aktivmaterialmischung 14 und das Rahmenmaterial 16 bereits räumlich so angeordnet in den Kalanderspalt eingegeben, dass das Rahmenmaterial 16 die Aktivmaterialmischung 14 umschließt. Diese Anordnung bleibt beim gemeinsamen Verpressen erhalten, so dass, wie in 3 dargestellt, eine Elektrode 10 erhalten wird, bei der die Aktivmaterialmischung 14 vollständig vom Rahmenmaterial 16 umschlossen ist.At the in 3 illustrated embodiment of the electrode 10 became the active material mixture 14 and the frame material 16 together in a pressing device, such as a calender nip, entered and pressed. It was using a multi-part application system, the active material mixture 14 and the frame material 16 already spatially arranged in the calender nip that entered the frame material 16 the active material mixture 14 encloses. This arrangement is maintained in the common compression, so that, as in 3 shown, an electrode 10 is obtained, in which the active material mixture 14 completely from the frame material 16 is enclosed.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2006/001847 A1 [0005] WO 2006/001847 A1 [0005]
  • US 6399240 B1 [0006] US 6399240 B1 [0006]

Claims (10)

Elektrode (10) umfassend eine Aktivmaterialmischung (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivmaterialmischung (14) von einem Rahmen (15) umschlossen ist, wobei der Rahmen (15) alle Oberflächen der Aktivmaterialmischung (14) überdeckt oder, wenn die Elektrode (10) des Weiteren einen Stromableiter (12) umfasst, der Rahmen (15) zumindest die nicht vom Stromableiter (12) bedeckten Oberflächen überdeckt, wobei der Rahmen (15) aus einem Rahmenmaterial (16) umfassend Graphit besteht.Electrode ( 10 ) comprising an active material mixture ( 14 ), characterized in that the active material mixture ( 14 ) of a frame ( 15 ), the frame ( 15 ) all surfaces of the active material mixture ( 14 ) or when the electrode ( 10 ) further includes a current conductor ( 12 ), the framework ( 15 ) at least not from the current conductor ( 12 covered surfaces covered, the frame ( 15 ) of a frame material ( 16 ) comprising graphite. Elektrode (10) nach Anspruch 1, wobei die Elektrode (10) einen Stromableiter (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (15) auch die dem Stromableiter (12) zugewandte Oberfläche der Aktivmaterialmischung (14) überdeckt, so dass die Aktivmaterialmischung (14) durch den Rahmen (15) vollständig umschlossen ist.Electrode ( 10 ) according to claim 1, wherein the electrode ( 10 ) a current collector ( 12 ), characterized in that the frame ( 15 ) also the current conductor ( 12 ) facing surface of the active material mixture ( 14 ) so that the active material mixture ( 14 ) through the frame ( 15 ) is completely enclosed. Elektrode (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrode (10) einen Stromableiter (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stromableiter (12) und der Aktivmaterialmischung (14) ein Verbindungsmaterial (18) angeordnet ist.Electrode ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein the electrode ( 10 ) a current collector ( 12 ), characterized in that between the current conductor ( 12 ) and the active material mixture ( 14 ) a connecting material ( 18 ) is arranged. Elektrode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (15) porös ist, so dass eine Ionenleitung durch den Rahmen (15) hindurch und/oder ein Elektrolytfluss durch den Rahmen (15) hindurch verbessert wird.Electrode ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the frame ( 15 ) is porous, so that ionic conduction through the frame ( 15 ) and / or an electrolyte flow through the frame ( 15 ) is improved through. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Aktivmaterialmischung (14) und ein Rahmenmaterial (16) als Ausgangsmaterialien bereitgestellt werden und entweder a) das Rahmenmaterial (16) und die Aktivmaterialmischung (14) gemeinsam in eine Pressvorrichtung eingegeben werden und zu einer Folie verpresst werden, wobei die Ausgangsmaterialien über mehrere Auftragssysteme räumlich verteilt in die Pressvorrichtung eingegeben werden, oder b) ein Stromableiter (12) oder ein Träger bereitgestellt wird und eine erste Schicht (20) aufgetragen wird, wobei die erste Schicht (20) einen inneren Bereich (30) aufweist, der aus einer Aktivmaterialmischung (14) besteht und einen den inneren Bereich (30) umschließenden äußeren Bereich (32) umfasst, der aus einem Rahmenmaterial (16) besteht, und anschließend eine zweite Schicht (22) aus dem Rahmenmaterial (16) aufgetragen wird, wobei die jeweiligen Schichten (20, 22) nach dem Auftragen kompaktiert werden und anschließend gemeinsam in einer Pressvorrichtung verpresst werden, wobei das Rahmenmaterial (16) Graphit umfasst.Method for producing an electrode ( 10 ) according to any one of claims 1 to 4, wherein an active material mixture ( 14 ) and a frame material ( 16 ) are provided as starting materials and either a) the frame material ( 16 ) and the active material mixture ( 14 ) are fed together in a pressing device and pressed into a film, wherein the starting materials are distributed over several application systems spatially distributed in the pressing device, or b) a current conductor ( 12 ) or a carrier is provided and a first layer ( 20 ), the first layer ( 20 ) an inner area ( 30 ), which consists of an active material mixture ( 14 ) and one the inner area ( 30 ) surrounding outer area ( 32 ) consisting of a frame material ( 16 ) and then a second layer ( 22 ) from the frame material ( 16 ), the respective layers ( 20 . 22 ) are compacted after application and then pressed together in a pressing device, wherein the frame material ( 16 ) Comprises graphite. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dem Rahmenmaterial (16) ein schaumbildendes Mittel zugegeben wird, um Poren auszubilden.Method according to claim 5, characterized in that the frame material ( 16 ) a foaming agent is added to form pores. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Pressvorrichtung ein Kalander verwendet wird.A method according to claim 5 or 6, characterized in that a calender is used as pressing device. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivmaterialmischung (14) erhalten wird durch i. Behandeln von Graphit mit einer Säure, um expandierbares Graphit zu erhalten, ii. Mischen des expandierbaren Graphits mit einem Aktivmaterial und einem leitfähigem Material und iii. Temperieren des Graphits bei einer Temperatur von 850 °C bis 900 °C wobei expandiertes Graphit entsteht. Method according to one of claims 5 to 7, characterized in that the active material mixture ( 14 ) is obtained by i. Treating graphite with an acid to obtain expandable graphite, ii. Mixing the expandable graphite with an active material and a conductive material, and iii. Tempering the graphite at a temperature of 850 ° C to 900 ° C with expanded graphite formed. Batteriezelle umfassend eine Elektrode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder eine Elektrode (10), welche nach einem der Ansprüche 5 bis 8 hergestellt wurde.Battery cell comprising an electrode ( 10 ) according to one of claims 1 to 4 and / or an electrode ( 10 ) which has been produced according to one of claims 5 to 8. Superkondensator umfassend eine Elektrode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder eine Elektrode (10), welche nach einem der Ansprüche 5 bis 8 hergestellt wurde.Supercapacitor comprising an electrode ( 10 ) according to one of claims 1 to 4 and / or an electrode ( 10 ) which has been produced according to one of claims 5 to 8.
DE102014224856.6A 2014-12-04 2014-12-04 Electrode with active material mixture and process for its preparation Withdrawn DE102014224856A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014224856.6A DE102014224856A1 (en) 2014-12-04 2014-12-04 Electrode with active material mixture and process for its preparation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014224856.6A DE102014224856A1 (en) 2014-12-04 2014-12-04 Electrode with active material mixture and process for its preparation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102014224856A1 true DE102014224856A1 (en) 2016-06-09

Family

ID=55974735

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102014224856.6A Withdrawn DE102014224856A1 (en) 2014-12-04 2014-12-04 Electrode with active material mixture and process for its preparation

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102014224856A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2810320C2 (en) * 1977-03-09 1983-07-21 South African Inventions Development Corp., Pretoria, Transvaal Molecular sieve containing positive electrode and a high temperature cell with this electrode
JPH0313419B2 (en) * 1982-10-30 1991-02-22 Nippon Denso Co
US6399240B1 (en) 2000-03-23 2002-06-04 Industrial Technology Research Institute Stack battery structure
WO2006001847A1 (en) 2004-02-19 2006-01-05 Maxwell Technologies, Inc. Composite electrode and method for fabricating same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2810320C2 (en) * 1977-03-09 1983-07-21 South African Inventions Development Corp., Pretoria, Transvaal Molecular sieve containing positive electrode and a high temperature cell with this electrode
JPH0313419B2 (en) * 1982-10-30 1991-02-22 Nippon Denso Co
US6399240B1 (en) 2000-03-23 2002-06-04 Industrial Technology Research Institute Stack battery structure
WO2006001847A1 (en) 2004-02-19 2006-01-05 Maxwell Technologies, Inc. Composite electrode and method for fabricating same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102019111409A1 (en) METHOD FOR PRODUCING HIGH-ACTIVE, MATERIAL-LOADED COMPOSITE ELECTRODES AND SOLID-RESISTANT BATTERIES CONTAINING COMPOUND ELECTRODES
DE102015222553B4 (en) Cathode for solid-state lithium battery and accumulator using same
DE102017107191A1 (en) Pre-lithiated lithium-ion battery cell
WO2015165701A2 (en) Galvanic element and method for the production thereof
DE102018222129A1 (en) Cathode unit and method for manufacturing a cathode unit
EP2792001B1 (en) Lithium-sulphur cell cathode with a layer system
DE102013204872A1 (en) Electrode and method of making the same
DE102014220953A1 (en) Electrode for a combination of supercapacitor and battery and process for their preparation
WO2012113606A1 (en) Electrode material having high capacitance
DE102017128713A1 (en) A process for producing a solid electrolyte and a solid state battery having the same
EP3704752B1 (en) Method and device for producing a functional element for an electrode unit of a battery cell
DE102018114195B4 (en) PEO-PVA based binder for lithium-sulfur batteries
DE102017201233A1 (en) Process for producing an electrode laminate for a solid-state battery
DE102010027950A1 (en) Cathode composition for lithium-sulfur cells
DE102012224324A1 (en) Battery cell i.e. lithium ion battery cell, has first and second material layers exhibiting positive material that exhibits smaller potential than positive material of third material layer relative to negative material of anode conductor
WO2013171023A1 (en) Method for producing an electrode for an electrochemical energy accumulator and electrochemical energy accumulator
EP3553867A1 (en) Method for producing a layer structure for a lithium-ion solid body battery
DE102014211743A1 (en) Galvanic element and method for its production
WO2017108620A1 (en) Electrode and galvanic cell comprising a shaped body which is composed of carbon foam, and method for production thereof
DE102014224856A1 (en) Electrode with active material mixture and process for its preparation
DE102016215666A1 (en) Electrode arrangement for lithium-based galvanic cells and method for their production
DE102016217394A1 (en) Process for the solvent-free production of an electrode
DE112019007134T5 (en) Electrode for lithium-ion batteries and lithium-ion batteries
DE102021109109B4 (en) Process for manufacturing a lithium-ion cell
DE102016217390A1 (en) Electrode with local differences in porosity, method for producing such an electrode and their use

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee