DE102016217397A1

DE102016217397A1 - Electrode stack with edge coating

Info

Publication number: DE102016217397A1
Application number: DE102016217397.9A
Authority: DE
Inventors: Harald Bauer; Armin Glock
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2018-03-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrodenstapel (1), umfassend mindestens zwei flächig ausgestaltete Elektrodenblätter (2, 2‘) und mindestens ein zwischen den zwei Elektrodenblättern (2, 2‘) angeordnetes, flächig ausgestaltetes Separatorblatt (3), wobei der Elektrodenstapel (1) mindestens drei benachbarte Blattkantenseiten (22) und zwei sich gegenüberliegende Blattflächenseiten (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenstapel (1) an wenigstens einer Blattkantenseite (22) mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung (13) versehen ist, welche sich über die gesamte Höhe des Elektrodenstapels (1) erstreckt.The invention relates to an electrode stack (1) comprising at least two areally configured electrode sheets (2, 2 ') and at least one planarized separator sheet (3) arranged between the two electrode sheets (2, 2'), the electrode stack (1) being at least three adjacent leaf edge sides (22) and two opposite leaf surface sides (21), characterized in that the electrode stack (1) is provided on at least one leaf edge side (22) with an electrically insulating coating (13) which extends over the entire height of the Electrode stack (1) extends.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft einen Elektrodenstapel mit Randbeschichtung zum Schutz vor einem Kurzschluss in dem Elektrodenstapel, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elektrodenstapels sowie dessen Verwendung.The invention relates to an electrode stack with edge coating for protection against a short circuit in the electrode stack, a method for producing such an electrode stack and its use.

Elektroden werden in einer Vielzahl elektrochemischer Prozesse eingesetzt, wie z.B. in elektrochemischen Energiespeichersystemen, wie Batterien und Kondensatoren, aber auch in Brennstoffzellen. Typischerweise umfassen die dort eingesetzten Elektroden mindestens einen elektrisch leitenden Stromsammler, welcher mit einem Aktivmaterial beschichtet ist. Electrodes are used in a variety of electrochemical processes, e.g. in electrochemical energy storage systems, such as batteries and capacitors, but also in fuel cells. Typically, the electrodes used there comprise at least one electrically conductive current collector, which is coated with an active material.

Im Stand der Technik werden zwei grundlegend verschiedene Verfahren zur Beschichtung des Stromsammlers mit dem Elektrodenaktivmaterial (nachfolgend auch Aktivmaterial bezeichnet) beschrieben, nämlich durch das Aufbringen einer Aktivmaterialaufschlämmung (sog. Slurry-Verfahren) und durch das Aufbringen eines freistehenden Aktivmaterialfilms.Two fundamentally different methods for coating the current collector with the electrode active material (hereinafter also referred to as active material) are described in the prior art, namely by the application of an active material slurry (so-called slurry method) and by the application of a free-standing active material film.

Herkömmlich hergestellte Elektroden weisen in der Regel einen Randbereich auf, in dem der elektrisch leitende Stromsammler nicht mit Aktivmaterial beschichtet ist. An diesen Stellen kann das Material des Stromsammlers beim Aufbau einer elektrochemischen Zelle, insbesondere bei der Zusammenstellung von Elektrodenstapeln oder Elektrodenwickeln, in Kontakt mit weiteren Elektroden kommen. Im Randbereich der elektrochemischen Zelle kann es auch zu Kontakt mit dem Zellgehäuse kommen. Ein solcher Kontakt ist in der Regel unerwünscht und kann zu einem Kurzschluss in der elektrochemischen Zelle und Versagen derselben führen. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen werden im Stand der Technik unbeschichtete Randbereiche der positiven Elektroden (Kathoden) mit elektrisch isolierenden Schichten (z.B. aus Al₂O₃) versehen oder mit Dichtungen elektrisch isoliert und gegen den Elektrolyt abgedichtet. Der Zellaufbau aus Anode, Separator und Kathode wird in der Regel so ausgeführt, dass die Anode und häufig auch der Separator mit einem Überstand bezüglich der Kathode ausgeführt werden. Die Herstellung eines Elektrodenstapels bedarf daher einer exakten und zeitaufwändigen Positionierung sämtlicher Schichten. Conventionally produced electrodes generally have an edge region in which the electrically conductive current collector is not coated with active material. At these points, the material of the current collector in the construction of an electrochemical cell, in particular in the compilation of electrode stacks or electrode coils, come into contact with further electrodes. In the edge region of the electrochemical cell, it can also come into contact with the cell housing. Such contact is usually undesirable and can lead to a short circuit in the electrochemical cell and failure thereof. In order to avoid short circuits, in the prior art uncoated edge regions of the positive electrodes (cathodes) are provided with electrically insulating layers (eg of Al ₂ O ₃ ) or electrically insulated with gaskets and sealed against the electrolyte. The cell assembly of anode, separator and cathode is usually carried out so that the anode and often the separator are carried out with a supernatant with respect to the cathode. The production of an electrode stack therefore requires accurate and time-consuming positioning of all layers.

DE 11 2013 001 983 T5 offenbart eine Batteriezelle, bei der eine Schicht aus einem isolierenden Material in das Zellgehäuse eingelegt wird, um so einen Kontakt desselben mit den Elektroden zu unterbinden. DE 11 2013 001 983 T5 discloses a battery cell in which a layer of insulating material is inserted into the cell housing so as to prevent contact thereof with the electrodes.

CN 103904296 A beschreibt eine Elektrode, die von einem porösen isolierenden Material umgeben ist. CN 103904296 A describes an electrode surrounded by a porous insulating material.

Die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren sind zum einen mit einem hohen technischen Aufwand verbunden, und können zu anderen nicht in jedem Fall einen sicheren Schutz vor einem Kurzschluss bieten. The methods described in the prior art are on the one hand associated with a high technical complexity, and can not always provide others with a safe protection against a short circuit.

Angesichts dessen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches es ermöglicht Elektrodenstapel herzustellen, bei denen die Gefahr eines Kurzschlusses reduziert ist und die mit einfachem Mitteln hergestellt werden können. Die Aufgabe wird durch die nachfolgend beschriebene Erfindung gelöst. In view of this, it is an object of the present invention to provide a method which makes it possible to produce electrode stacks in which the risk of short circuit is reduced and which can be produced by simple means. The object is achieved by the invention described below.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung betrifft einen Elektrodenstapel, umfassend mindestens zwei flächig ausgestaltete Elektrodenblätter und mindestens ein zwischen den zwei Elektrodenblättern angeordnetes, flächig ausgestaltetes Separatorblatt, wobei der Elektrodenstapel mindestens drei benachbarte Blattkantenseiten und zwei sich gegenüberliegende Blattflächenseiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenstapel an wenigstens einer Blattkantenseite mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung aus einem keramischen oder polymeren Material versehen ist, welche sich über die gesamte Höhe des Elektrodenstapels erstreckt. The invention relates to an electrode stack comprising at least two areally configured electrode sheets and at least one separator sheet arranged between the two electrode sheets, wherein the electrode stack has at least three adjacent leaf edge sides and two opposite leaf surface sides, characterized in that the electrode stack is supported on at least one leaf edge side an electrically insulating coating of a ceramic or polymeric material is provided, which extends over the entire height of the electrode stack.

Die Elektrodenblätter sind vorzugsweise jeweils aufgebaut aus einem flächig ausgestalteten, vorgeformten Stromsammler (nachfolgend auch Stromsammlerblatt genannt) und mindestens einer flächig ausgestalteten Aktivmaterialschicht, die auf mindestens einem Teil einer Oberfläche des vorgeformten Stromsammlerblattes aufgebracht ist. Ein vorgeformter Stromsammler kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass der Stromsammler bereits zu diesem Zeitpunkt, also im Wesentlichen vor einem Aufbringen der freistehenden Aktivmaterialfolie seine gewünschte, insbesondere endgültige Form aufweisen kann. Somit kann ein nachfolgendes Ausschneiden, Ausstanzen oder Ähnliches entfallen. Der Stromsammler ist aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus einem Metall, wie z.B. Aluminium, Kupfer, Nickel oder Legierungen, umfassend mindestens eines dieser Metalle, gefertigt. Das Stromsammlerblatt weist vorzugsweise eine Blattstärke (Schichtdicke) von ≥ 5 µm bis ≤ 500 µm, insbesondere ≥ 50 µm bis ≤ 300 µm auf. Die Aktivmaterialschicht ist auf mindestens einer, vorzugsweise auf beiden flächig ausgestalteten Oberflächenseiten des Stromsammlers aufgebracht und belegt vorzugsweise mehr als 70% der mindestens einen Oberfläche des Stromsammlerblattes, stärker bevorzugt ≥ 80%, und insbesondere ≥ 90% der mindestens einen Oberfläche des Stromsammlerblattes. Die Schichtdicke der Aktivmaterialschicht auf der mindestens einen Oberfläche des Stromsammlerblattes beträgt vorzugsweise jeweils ≥ 20 µm bis ≤ 500 µm, insbesondere ≥ 50 µm bis ≤ 300 µm.The electrode sheets are preferably each constructed from a preformed current collector (hereinafter also referred to as a current collector blade) configured in planar fashion and at least one areally configured active material layer which is applied to at least part of a surface of the preformed current collector blade. For the purposes of the present invention, a preformed current collector may mean, in particular, that the current collector may already have its desired, in particular final form, at this point in time, that is to say essentially before application of the free-standing active material foil. Thus, a subsequent cutting, punching or the like can be omitted. The current collector is made of an electrically conductive material, in particular of a metal, such as aluminum, copper, nickel or alloys comprising at least one of these metals. The current collector blade preferably has a sheet thickness (layer thickness) of ≥ 5 μm to ≦ 500 μm, in particular ≥ 50 μm to ≦ 300 μm. The active material layer is applied to at least one, preferably on both surface configured surface sides of the current collector and occupies preferably more than 70% of the at least one surface of the Current collector blade, more preferably ≥ 80%, and in particular ≥ 90% of the at least one surface of the current collector sheet. The layer thickness of the active material layer on the at least one surface of the current collector sheet is preferably in each case ≥ 20 μm to ≦ 500 μm, in particular ≥ 50 μm to ≦ 300 μm.

Die Aktivmaterialschicht umfasst mindestens ein Aktivmaterial und mindestens ein Bindemittel. Ferner kann die Aktivmaterialschicht weitere Zusatzstoffe, insbesondere Leitzusätze wie Leitruß und/oder Graphit umfassen. Das Bindemittel ist vorzugsweise ausgewählt aus Polymeren wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethen (PTFE), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylsäure (PAA), Polyvinylalkohol (PVA), Styrol-Butadien-Copolymer (SBR) und Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM) oder Kombinationen davon. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Bindemittel PVDF, PTFE oder eine Kombination von PVDF und PTFE. Das jeweilige Aktivmaterial wird entsprechend der Funktion der Elektrode ausgewählt. Geeignete Aktivmaterialien für positive Elektroden sind beispielsweise lithiierte Interkalationsverbindungen, welche in der Lage sind Lithium-Ionen reversibel aufzunehmen und freizusetzen. Das positive Aktivmaterial kann ein zusammengesetztes Oxid umfassen, welches mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Magnesium, Nickel, sowie Lithium, enthält. Negative Aktivmaterialien können Kohlenstoffhaltige Materialien wie Aktivkohle (AC), Aktivkohlefasern (ACF), Carbid-abgeleiteter Kohlenstoff (CDC), Kohlenstoff-Aerogel, Graphit (Graphen) und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) oder auch siliciumhaltige Materialien, wie Silicium, Siliciumkomposite oder Siliciumlegierungen umfassen. Die Aktivmaterialien einer Aktivmaterialschicht können auch Gemische von positiven und negativen Aktivmaterialien umfassen. The active material layer comprises at least one active material and at least one binder. Furthermore, the active material layer may comprise further additives, in particular conductive additives such as conductive carbon black and / or graphite. The binder is preferably selected from polymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethene (PTFE), carboxymethylcellulose (CMC), polyacrylic acid (PAA), polyvinyl alcohol (PVA), styrene-butadiene copolymer (SBR) and ethylene-propylene-diene terpolymer ( EPDM) or combinations thereof. In a preferred embodiment, the binder comprises PVDF, PTFE or a combination of PVDF and PTFE. The respective active material is selected according to the function of the electrode. Suitable positive electrode active materials include, for example, lithiated intercalation compounds which are capable of reversibly receiving and releasing lithium ions. The positive active material may comprise a composite oxide containing at least one metal selected from the group consisting of cobalt, magnesium, nickel, and lithium. Negative active materials may include carbonaceous materials such as activated carbon (AC), activated carbon fibers (ACF), carbide-derived carbon (CDC), carbon airgel, graphite (graphene) and carbon nanotubes (CNTs), or silicon-containing materials such as silicon, silicon composites or silicon alloys. The active materials of an active material layer may also comprise mixtures of positive and negative active materials.

Als zusätzlichen Bestandteil kann die Aktivmaterialschicht in einer Ausführungsform mindestens einen Festkörperelektrolyten, insbesondere einen anorganischen Festkörperelektrolyten umfassen, welcher in der Lage ist Kationen, insbesondere Lithium-Ionen, zu leiten. Erfindungsgemäß umfassen solche feste anorganische Lithium-Ionen-Leiter kristalline, Komposit- und amorphe anorganische feste Lithium-Ionen-Leiter. Kristalline Lithium-Ionen-Leiter umfassen insbesondere Lithium-Ionen-Leiter vom Perowskit-Typ, Lithium-Lanthan-Titanate, Lithium-Ionen-Leiter vom NASICON-Typ, Lithium-Ionen-Leiter vom LISICON- und Thio-LISICON-Typ, sowie Lithium-Ionen leitende Oxide vom Granat-Typ. Die Komposit-Lithium-Ionen-Leiter umfassen insbesondere Materialien, die Oxide und mesoporöse Oxide enthalten. Solche festen anorganischen Lithium-Ionen-Leiter werden beispielsweise in dem Übersichtsartikel von Philippe Knauth „Inorganic solid Li ion conductors: An overview“ Solid State Ionics, Band 180, Ausgaben 14–16, 25. Juni 2009, Seiten 911–916 beschrieben. Erfindungsgemäß können auch alle festen Lithium-Ionen-Leiter umfasst sein, die von C. Cao, et al. in „Recent advances in inorganic solid electrolytes for lithium batteries“, Front. Energy Res., 2014, 2:25 beschrieben werden. Insbesondere sind auch die in EP1723080 B1 beschriebenen Granate erfindungsgemäß umfasst. Der Festkörperelektrolyt kann insbesondere in Form von Partikeln mit einem mittlere Teilchendurchmesser von ≥ 0,05 μm bis ≤ 5 μm, vorzugsweise ≥ 0,1 μm bis ≤ 2 μm eingesetzt werden. Sofern die Aktivmaterialschicht einen Festkörperelektrolyten umfasst, kann dieser beispielsweise 0 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 40 Gew.-% der Aktivmaterialschicht ausmanchen. As an additional component, in one embodiment, the active material layer may comprise at least one solid electrolyte, in particular an inorganic solid electrolyte, which is capable of conducting cations, in particular lithium ions. In accordance with the present invention, such solid inorganic lithium ion conductors include crystalline, composite and amorphous inorganic lithium ion solid conductors. Crystalline lithium ion conductors include, in particular, perovskite type lithium ion conductors, lithium lanthanum titanates, NASICON type lithium ion conductors, LISICON and thio-LISICON type lithium ion conductors, and the like Garnet-type lithium ion conductive oxides. In particular, the composite lithium-ion conductors include materials containing oxides and mesoporous oxides. Such solid inorganic lithium ion conductors are used in the Review article by Philippe Knauth "Inorganic solid Li ion conductors: An overview" Solid State Ionics, volume 180, issues 14-16, 25 June 2009, pages 911-916 described. According to the invention, it is also possible to include all solid lithium-ion conductors which are produced by C. Cao, et al. in "Recent advances in inorganic solid electrolytes for lithium batteries", Front. Energy Res., 2014, 2:25 to be discribed. In particular, the in EP1723080 B1 according to the invention described grenade. The solid electrolyte can be used in particular in the form of particles having an average particle diameter of ≥ 0.05 μm to ≦ 5 μm, preferably ≥ 0.1 μm to ≦ 2 μm. If the active material layer comprises a solid electrolyte, it may, for example, be from 0 to 50% by weight, preferably from 10 to 40% by weight, of the active material layer.

Die Aktivmaterialschicht kann nach jedem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auf der mindestens einen Oberfläche des vorgeformten Stromsammlerblattes aufgebracht werden. Zu nennen sind insbesondere Verfahren, die eine Aufschlämmung einer Aktivmaterialzusammensetzung verwenden (sog. Slurry-Verfahren) als auch Verfahren, in denen eine im Wesentlichen trockene Aktivmaterialzusammensetzung umfassend ein fibrilliertes Bindemittel, bereitgestellt wird. Durch den Fibrillierungsprozess kann aus der Aktivmaterialzusammensetzung eine pastöse, formbare Masse gebildet werden. Solche Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt und z.B. in EP 1 644 136 , US 2015/0061176 A1 oder US 2015/0062779 A1 beschrieben. Die erhaltene, formbare Masse kann anschließend zu einer freistehenden Aktivmaterialfolie ausgeformt werden, welche anschließend auf mindestens eine Oberfläche eines Stromsammlers aufgebracht werden kann. Dies kann vorzugsweise durch die Verwendung eines Kalanders geschehen. Alternativ kann die formbare Masse auch direkt auf der mindestens einen zu beschichtenden Oberfläche des Stromsammlerblattes aufgebracht werden.The active material layer may be applied to the at least one surface of the preformed current collector sheet by any method known in the art. Particular mention should be made of processes which use a slurry of an active material composition (so-called slurry process) as well as processes in which a substantially dry active material composition comprising a fibrillated binder is provided. The fibrillation process can be used to form a pasty, moldable mass from the active material composition. Such methods are known in the art and eg in EP 1 644 136 . US 2015/0061176 A1 or US 2015/0062779 A1 described. The resulting moldable mass may then be formed into a freestanding active material sheet which may subsequently be applied to at least one surface of a current collector. This can preferably be done by using a calender. Alternatively, the moldable material can also be applied directly to the at least one surface of the current collector sheet to be coated.

Die so erhaltenen Elektrodenblätter werden, sofern dies noch nicht geschehen ist, auf die gewünscht Größe zugeschnitten. Dabei werden vorzugsweise sämtliche Elektrodenblätter, d.h. sowohl die positiven Elektrodenblätter (Kathodenblätter) als auch die negativen Elektrodenblätter (Anodenblätter) auf dieselbe Größe zugeschnitten. In den Randbereichen, insbesondere entlang der Schnittkanten, weisen die Elektrodenblätter Bereiche auf, welche nicht mit einer Aktivmaterialzusammensetzung belegt sind. Diese Bereiche können sich sowohl auf der flächig ausgestalteten Oberfläche des Stromsammlers befinden als auch auf der Schnittkante, orthogonal zur flächig ausgestalteten Oberfläche, gebildet sein. The electrode sheets thus obtained, if not already done, are cut to the desired size. In this case, preferably all electrode sheets, i. both the positive electrode sheets (cathode sheets) and the negative electrode sheets (anode sheets) are cut to the same size. In the edge regions, in particular along the cut edges, the electrode sheets have areas which are not covered with an active material composition. These areas can be located both on the area of the surface of the current collector and also formed on the cutting edge, orthogonal to the flat surface.

In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung bipolare Elektrodenblätter, umfassend mindestens ein Stromsammlerblatt und mindestens zwei Aktivmaterialschichten, welche jeweils auf einer der zwei Oberflächen des Stromsammlerblattes angeordnet sind, wobei die erste Aktivmaterialschicht ein positives Aktivmaterial umfasst und die zweite Aktivmaterialschicht ein negatives Aktivmaterial umfasst. Beispielsweise ist auf der ersten Oberfläche des Stromsammlers, eine Aktivmaterialschicht, umfassend Li₄Ti₅O₁₂ (LTO) als negatives Aktivmaterial aufgebracht, und auf der zweiten Oberfläche desselben Stromsammlers eine Aktivmaterialschicht, umfassend LiFePO₄ (LFP) als positives Aktivmetarial, aufgebracht. In one embodiment, the invention relates to bipolar electrode sheets comprising at least one current collector blade and at least two active material layers each disposed on one of the two surfaces of the current collector blade, wherein the first active material layer comprises a positive active material and the second active material layer comprises a negative active material. For example, an active material layer comprising Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ (LTO) as a negative active material is deposited on the first surface of the current collector, and an active material layer comprising LiFePO ₄ (LFP) as a positive active material is deposited on the second surface of the same current collector.

Das flächig ausgestaltete Separatorblatt dient der Aufgabe, die Elektroden vor einem direkten Kontakt miteinander zu schützen und so einen Kurzschluss zu unterbinden. Gleichzeitig muss das Separatorblatt den Transfer der Ionen von einer Elektrode zur anderen gewährleisten. Geeignete Separatormaterialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus einem isolierenden Material mit einer porösen Struktur gebildet sind. Geeignete Materialien sind insbesondere Polymere, wie Cellulose, Polyolefine, Polyester und fluorierte Polymere. Besonders bevorzugte Polymere sind Cellulose, Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polytetrafluorethen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF). Ferner kann das Separatorblatt keramische Materialen umfassen oder aus diesen bestehen, sofern ein weitgehender (Lithium-)Ionen-Transfer gewährleistet ist. Als Materialien sind insbesondere Keramiken, welche MgO oder Al₂O₃ umfassen, zu nennen. Das Separatorblatt kann aus einer Schicht aus einem oder mehreren der zuvor genannten Materialien bestehen oder auch aus mehreren Schichten z.B. in Form eines Laminats gefertigt sein, in denen jeweils eines oder mehrere der genannten Materialein miteinander kombiniert sind. Das Separatorblatt ist ebenfalls flächig ausgestaltet und weist eine Blattstärke (Schichtdicke) von ≥ 20 µm bis ≤ 500 µm, insbesondere ≥ 50 µm bis ≤ 300 µm auf. Das Separatorblatt wird vorzugsweise ebenfalls auf dieselbe Größe wie die Elektrodenblätter zugeschnitten. The flat designed separator sheet serves the task of protecting the electrodes from direct contact with each other and thus to prevent a short circuit. At the same time, the separator sheet must ensure the transfer of ions from one electrode to another. Suitable separator materials are characterized in that they are formed from an insulating material having a porous structure. Suitable materials are in particular polymers, such as cellulose, polyolefins, polyesters and fluorinated polymers. Particularly preferred polymers are cellulose, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF). Further, the separator sheet may comprise or consist of ceramic materials, as far as a substantial (lithium) ion transfer is ensured. In particular, ceramics comprising MgO or Al ₂ O _{3 may} be mentioned as materials. The separator sheet can consist of a layer of one or more of the abovementioned materials or can also be made of a plurality of layers, for example in the form of a laminate, in which one or more of the named material in each case are combined with one another. The separator sheet is also configured flat and has a sheet thickness (layer thickness) of ≥ 20 microns to ≤ 500 microns, in particular ≥ 50 microns to ≤ 300 microns. The separator sheet is also preferably cut to the same size as the electrode sheets.

Der erfindungsgemäße Elektrodenstapel umfasst mindestens zwei Elektrodenblätter und mindestens ein Separatorblatt, welches zwischen zwei Elektrodenblätter angeordnet ist. The electrode stack according to the invention comprises at least two electrode sheets and at least one separator sheet, which is arranged between two electrode sheets.

Der sich daraus ergebende Elektrodenstapel umfasst mindestens drei Blattkantenseiten (bei dreieckiger Grundform der Elektroden- und Separatorblätter), häufig jedoch mindestens vier oder mehr Blattkantenseiten. Die Blattkantenseiten sind einander benachbart und bilden eine den Elektrodenstapel umlaufende Fläche. Davon abzugrenzen sind die Blattflächenseiten des Elektrodenstapels. Diese werde durch je eine nach außen gewandte Oberfläche des ersten bzw. letzten Elektrodenblattes (bzw. Separatorblatts) in einem Elektrodenstapel gebildet, liegen einander im Elektrodenstapel gegenüber und grenzen nicht aneinander. Der Elektrodenstapel ist an wenigstens einer Blattkantenseite mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung aus einem keramischen oder polymeren Material versehen, welche sich über die gesamte Höhe des Elektrodenstapels erstreckt. The resulting electrode stack comprises at least three leaf edge sides (with a triangular basic shape of the electrode and separator sheets), but often at least four or more edge edges. The sheet edge sides are adjacent to each other and form a surface surrounding the electrode stack. To delimit from this are the leaf surface sides of the electrode stack. These are each formed by an outwardly facing surface of the first or last electrode sheet (or separator sheet) in an electrode stack, face each other in the electrode stack and do not adjoin one another. The electrode stack is provided on at least one sheet edge side with an electrically insulating coating of a ceramic or polymeric material which extends over the entire height of the electrode stack.

Die elektrisch isolierende Beschichtung bedeckt somit wenigstens die durch die mindestens eine Blattkantenseite gebildete Oberfläche und verbindet die einzelnen Blätter des Elektrodenstapels haftfest miteinander. Die Schnittkanten der Stromsammler sind vor einem Kurzschluss geschützt. Sofern die Elektrodenstapel Elektrodenblätter umfassen, welche auf deren flächig ausgestalteten Oberflächen nicht vollständig mit einer Aktivmaterialschicht versehen sind, so kann das elektrisch isolierende Material an dieser Stelle vorzugsweise in den Elektrodenstapel eindringen und so einen besseren Schutz vor einem Kurzschluss bieten. The electrically insulating coating thus covers at least the surface formed by the at least one sheet edge side and bonds the individual sheets of the electrode stack together. The cut edges of the current collectors are protected against a short circuit. If the electrode stacks comprise electrode sheets which are not completely provided with an active material layer on the surface of their surfaces, the electrically insulating material can preferably penetrate into the electrode stack at this point and thus offer better protection against a short circuit.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist mehr als eine Blattkantenseite des Elektrodenstapels mit einer Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material versehen, beispielsweise zwei, drei, vier oder mehr der Blattkantenseiten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind sämtliche Blattkantenseiten des Elektrodenstapels mit einer entsprechenden Beschichtung versehen. In a preferred embodiment, more than one sheet edge side of the electrode stack is provided with a coating of an electrically insulating material, for example, two, three, four or more of the sheet edge sides. In a particularly preferred embodiment, all the leaf edge sides of the electrode stack are provided with a corresponding coating.

Das elektrisch isolierende Material, welches die Beschichtung bildet, umfasst vorzugsweise ein nicht elektrisch leitfähiges keramisches Material, ein nicht elektrisch leitfähiges Polymer oder ein Gemisch davon. Es hat sich gezeigt, dass diese Materialien hervorragend dazu geeignet sind, durch die elektrisch isolierenden Eigenschaften die Gefahr eines Kurzschlusses zu minimieren. The electrically insulating material forming the coating preferably comprises a non-electrically conductive ceramic material, a non-electrically conductive polymer or a mixture thereof. It has been found that these materials are outstandingly suitable for minimizing the risk of a short circuit due to the electrically insulating properties.

Darüber hinaus ist das elektrisch isolierende Material vorzugsweise porös. Das soll gewährleisten, dass die Elektroden in dem Elektrodenstapel weiterhin mit Flüssigkeiten, insbesondere mit flüssigen Elektrolyten in Kontakt treten können, auch wenn die Beschichtung auf allen Blattkantenseiten des Elektrodenstapels aufgebracht ist. Elektrolyte dienen in elektrochemischen Zellen dazu die Ladungsträger zwischen den Elektroden und in die Poren der Elektroden hinein zu transportieren. Geeignete Elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien sind beispielsweise Salze wie LiPF₆ oder LiBF₄ in wasserfreien aprotischen Lösungsmitteln wie z. B. Ethylencarbonat oder Diethylencarbonat etc. Diese können das vorzugsweise poröse, elektrisch isolierende Material der Beschichtung durchdringen. In addition, the electrically insulating material is preferably porous. This is intended to ensure that the electrodes in the electrode stack can continue to come into contact with liquids, in particular with liquid electrolytes, even if the coating is applied to all the edge sides of the electrode stack. Electrolytes are used in electrochemical cells to transport the charge carriers between the electrodes and into the pores of the electrodes. Suitable electrolytes for lithium-ion batteries are, for example, salts such as LiPF ₆ or LiBF ₄ in anhydrous aprotic solvents such. For example, ethylene carbonate or diethylene carbonate, etc. These may penetrate the preferably porous, electrically insulating material of the coating.

Besonders geeignete Materialien, die zur Herstellung der Beschichtung geeignet sind, sind Materialien, die auch zur Herstellung von Separatoren für elektrochemische Zellen geeignet sind. Als geeignete Materialien zu nennen sind insbesondere Polymere, wie Cellulose, Polyolefine, Polyester und fluorierte Polymere. Besonders bevorzugte Polymere sind Cellulose, Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polytetrafluorethen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF). Ferner sind keramische Materialen, welche MgO oder Al₂O₃ umfassen, zu nennen.Particularly suitable materials which are suitable for the production of the coating are Materials which are also suitable for the production of separators for electrochemical cells. Particularly suitable materials are polymers such as cellulose, polyolefins, polyesters and fluorinated polymers. Particularly preferred polymers are cellulose, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF). Further, ceramic materials comprising MgO or Al ₂ O _{3 are} mentioned.

Die Beschichtung weist dabei eine Schichtdicke von ≥ 1 bis ≤ 1000 µm, vorzugsweise ≥ 200 bis ≤ 800 µm, insbesondere ≥ 300 bis ≤ 500 µm auf.In this case, the coating has a layer thickness of ≥ 1 to ≦ 1000 μm, preferably ≥ 200 to ≦ 800 μm, in particular ≥ 300 to ≦ 500 μm.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Elektrodenstapel mindestens zwei flächig ausgestaltete Elektrodenblätter und mindestens ein zwischen den zwei Elektrodenblättern angeordnetes, flächig ausgestaltetes Separatorblatt, wobei die mindestens zwei Elektrodenblätter und das mindestens eine Separatorblatt mit Ausnahme der jeweiligen Blattstärke (Schichtdicke) in wenigstens einer Ausdehnungsrichtung identische Maße aufweisen. Vorzugsweise sind die Maße sämtlicher Elektroden- und Separatorblätter eines erfindungsgemäßen Elektrodenstapels mit Ausnahme der jeweiligen Blattstärke in sämtlichen Ausdehnungsrichtungen (Länge und Breite) identisch. Dies ermöglicht es, dass die Elektroden- und Separatorblätter in dem Elektrodenstapel bündig miteinander abschließen können.In a preferred embodiment of the invention, the electrode stack comprises at least two areally configured electrode sheets and at least one separator sheet arranged between the two electrode sheets, the at least two electrode sheets and the at least one separator sheet being identical in at least one expansion direction, with the exception of the respective sheet thickness (layer thickness) Have dimensions. Preferably, the dimensions of all the electrode and separator sheets of an electrode stack according to the invention, with the exception of the respective sheet thickness, are identical in all expansion directions (length and width). This allows the electrode and separator sheets in the electrode stack to be flush with each other.

Der erfindungsgemäße, beschichtete Elektrodenstapel ist mittels eines einfachen Verfahrens herstellbar. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen mindestens eines positiven Elektrodenblatts, mindestens eines negativen Elektrodenblatts und mindestens eines Separatorblatts;
b) Ausbilden eines Elektrodenstapels durch Aufeinanderschichten des mindestens einen positiven Elektrodenblatts, des mindestens einen negativen Elektrodenblatts und des mindestens einen Separatorblatts, sodass zwischen je zwei Elektrodenblättern mindestens ein Separatorblatt angeordnet ist;
c) Ausrichten der Elektrodenblätter und der Separatorblätter des Elektrodenstapels;
d) Aufbringen mindestens einer zusammenhängenden Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material auf mindestens einer Blattkantenseite des Elektrodenstapels über die gesamte Höhe desselben, um so einen beschichteten Elektrodenstapel zu erhalten.

The coated electrode stack according to the invention can be produced by means of a simple method. The method comprises the following method steps:

a) providing at least one positive electrode sheet, at least one negative electrode sheet and at least one separator sheet;
b) forming an electrode stack by stacking the at least one positive electrode sheet, the at least one negative electrode sheet and the at least one separator sheet such that at least one separator sheet is arranged between each two electrode sheets;
c) aligning the electrode sheets and the separator sheets of the electrode stack;
d) applying at least one continuous coating of an electrically insulating material on at least one sheet edge side of the electrode stack over the entire height thereof so as to obtain a coated electrode stack.

In einer alternativen Ausführungsform werden statt des positiven Elektrodenblattes und des mindestens einen negativen Elektrodenblattes jeweils ein bipolares Elektrodenblatt eingesetzt, umfassend mindestens ein Stromsammlerblatt und mindestens zwei Aktivmaterialschichten, welche jeweils auf einer der zwei Oberflächen des Stromsammlerblattes angeordnet sind, wobei die erste Aktivmaterialschicht ein positives Aktivmaterial umfasst und die zweite Aktivmaterialschicht ein negatives Aktivmaterial umfasst. Beispielsweise ist auf der ersten Oberfläche des Stromsammlers, eine Aktivmaterialschicht, umfassend Li₄Ti₅O₁₂ (LTO) als negatives Aktivmaterial aufgebracht, und auf der zweiten Oberfläche desselben Stromsammlers eine Aktivmaterialschicht, umfassend LiFePO₄ (LFP) als positives Aktivmetarial, aufgebracht. In dieser Ausführungsform ist die Stapelfolge der Elektroden- und Separatorblätter so auszuführen, dass sich je eine negative und eine positive Aktivmaterialschicht gegenüber liegen und durch ein Separatorblatt voneinander getrennt sind.In an alternative embodiment, instead of the positive electrode sheet and the at least one negative electrode sheet, a bipolar electrode sheet is used comprising at least one current collector blade and at least two active material layers respectively disposed on one of the two surfaces of the current collector blade, the first active material layer comprising a positive active material and the second active material layer comprises a negative active material. For example, an active material layer comprising Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ (LTO) as a negative active material is deposited on the first surface of the current collector, and an active material layer comprising LiFePO ₄ (LFP) as a positive active material is deposited on the second surface of the same current collector. In this embodiment, the stacking sequence of the electrode and separator sheets is to be designed in such a way that a respective negative and a positive active material layer oppose each other and are separated from one another by a separator sheet.

In einem ersten Herstellungsschritt werden die einzelnen Elektroden- und Separatorblätter bereitgestellt. Diesbezüglich sind die eingangs gemachten Ausführungen zum Aufbau und den bevorzugten Materialien sämtlicher Elektroden- und Separatorblätter weiterhin zutreffen. Die Elektroden- und Separatorblätter können, sofern dies notwendig ist zugeschnitten werden, sodass diese mit Ausnahme der jeweiligen Blattstärke (Schichtdicke) in wenigstens einer Ausdehnungsrichtung, vorzugsweise in sämtlichen Ausdehnungsrichtungen, identische Maße aufweisen.In a first manufacturing step, the individual electrode and separator sheets are provided. In this regard, the statements made at the outset on the structure and the preferred materials of all electrode and separator sheets continue to apply. If necessary, the electrode and separator sheets can be cut to have identical dimensions, with the exception of the respective sheet thickness (layer thickness), in at least one expansion direction, preferably in all expansion directions.

Die erhaltenen, flächig ausgestalteten und ggf. zugeschnittenen Elektroden- und Separatorblätter werden in einem darauffolgenden Verfahrensschritt aufeinander geschichtet, um so einen Stapel zu erhalten. Die Reihenfolge der Schichtung ist dabei so ausgewählt, dass zwischen je zwei Elektrodenblättern ein Separatorblatt liegt. Dieses verhindert den Kontakt zweier Elektrodenblätter miteinander. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Elektrodenblätter so ausgewählt sind, dass sich jeweils positive und negative Elektrodenblätter bzw. Aktivmaterialschichten mit positivem und negativem Aktivmaterial miteinander abwechseln. In seiner einfachsten Ausführungsform umfasst der Elektrodenstapel somit drei einzelne Blätter der Stapelabfolge: negatives Elektrodenblatt – Separatorblatt – positives Elektrodenblatt bzw. negative Aktivmaterialschicht – Separatorblatt – positive Aktivmaterialschicht. Diese Stapelfolge kann beliebig oft wiederholt werden, wobei ein zusätzliches Separatorblatt die einzelnen Stapel voneinander trennt. The resulting, areally designed and optionally cut electrode and separator sheets are stacked in a subsequent process step, so as to obtain a stack. The sequence of the layering is selected such that a separator sheet is located between every two electrode sheets. This prevents the contact of two electrode sheets with each other. Moreover, it is preferred that the electrode sheets are selected such that in each case positive and negative electrode sheets or active material layers alternate with positive and negative active material. In its simplest embodiment, the electrode stack thus comprises three individual sheets of the stacking sequence: negative electrode sheet - separator sheet - positive electrode sheet or negative active material layer - separator sheet - positive active material layer. This stacking sequence can be repeated as often as desired, with an additional separator sheet separating the individual stacks.

In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Elektroden- und Separatorblätter ausgerichtet, um so eine exakte Stapelung der Elektroden- und Separatorblätter zu erreichen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Elektroden- und Separatorblätter an wenigstens einer Blattkantenseite, vorzugsweise an allen Blattkantenseiten des Elektrodenstapels bündig miteinander abschließen. Um den bündigen Abschluss zu erreichen, kann prinzipiell jedes dem Fachmann bekannte Verfahren zu Ausrichtung aufeinanderliegender blatt- oder bogenförmiger Produkte herangezogen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Anschlag zum Ausrichten der aufeinander geschichteten Elektroden- und Separatorblätter verwendet. Dieses Verfahren ist besonders kostengünstig und einfach umsetzbar. In a further method step, the electrode and separator sheets are aligned so as to achieve an exact stacking of the electrode and separator sheets. This ensures that the electrode and separator sheets are flush with one another on at least one sheet edge side, preferably on all sheet edge sides of the electrode stack. To the flush In principle, any method known to the person skilled in the art for aligning overlapping sheet-shaped or sheet-shaped products can be used. In a preferred embodiment, a stop is used to align the stacked electrode and separator sheets. This method is particularly inexpensive and easy to implement.

Der so ausgerichtete Elektrodenstapel wird in einem darauffolgenden Verfahrensschritt auf mindestens einem Teil der Oberfläche mindestens einer Blattkantenseite des Elektrodenstapels, vorzugsweise auf mindestens einem Teil der Oberfläche mindestens zweier Blattkantenseiten des Elektrodenstapels, insbesondere auf mindestens einem Teil der Oberfläche sämtlicher Blattkantenseiten des Elektrodenstapels mit einer zusammenhängenden Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material versehen. Die Beschichtung erstreckt sich dabei über die gesamte Höhe des Elektrodenstapels entlang der Stapelfolge, sodass sämtliche Elektroden- und Separatorblätter des Elektrodenstapels durch die Beschichtung entlang der mindestens einen Blattkantenseite des Elektrodenstapels miteinander verbunden sind.In a subsequent method step, the electrode stack aligned in this way is formed on at least one part of the surface of at least one sheet edge side of the electrode stack, preferably on at least part of the surface of at least two sheet edge sides of the electrode stack, in particular on at least a part of the surface of all sheet edge sides of the electrode stack with a coherent coating provided an electrically insulating material. The coating extends over the entire height of the electrode stack along the stacking sequence, so that all the electrode and separator sheets of the electrode stack are interconnected by the coating along the at least one sheet edge side of the electrode stack.

Die Beschichtung wird dabei so aufgebracht, dass sie nach Abschluss des Verfahrens eine Schichtdicke von ≥ 1 bis ≤ 1000 µm, vorzugsweise ≥ 200 bis ≤ 800 µm, insbesondere ≥ 300 bis ≤ 500 µm aufweist. Sofern daher zum Aufbringen der Beschichtung eine Lösung verwendet wird, deren Volumen sich durch entfernen des Lösungsmittels nachfolgend reduziert, muss die Lösung in einer Menge eingesetzt werden, welche die Ausbildung einer Beschichtung mit der erforderlichen Schichtdicke gewährleistet. The coating is applied in such a way that after completion of the process it has a layer thickness of ≥ 1 to ≦ 1000 μm, preferably ≥ 200 to ≦ 800 μm, in particular ≥ 300 to ≦ 500 μm. Therefore, if a solution is used to apply the coating, whose volume is subsequently reduced by removing the solvent, the solution must be used in an amount which ensures the formation of a coating with the required layer thickness.

Die Beschichtung umfasst dabei ein elektrisch isolierendes Material, vorzugsweise ein nicht elektrisch leitfähiges keramisches Material, ein nicht elektrisch leitfähiges Polymer oder ein Gemisch davon. Es hat sich gezeigt, dass diese Materialien hervorragend dazu geeignet sind, durch die elektrisch isolierenden Eigenschaften die Gefahr eines Kurzschlusses zu minimieren. Darüber hinaus gelten die zuvor gemachten Definitionen und Einschränkungen bezüglich des elektrisch isolierenden Materials entsprechend.The coating comprises an electrically insulating material, preferably a non-electrically conductive ceramic material, a non-electrically conductive polymer or a mixture thereof. It has been found that these materials are outstandingly suitable for minimizing the risk of a short circuit due to the electrically insulating properties. In addition, the previously made definitions and restrictions apply to the electrically insulating material accordingly.

Das elektrisch isolierende Material kann grundsätzlich mit jedem Verfahren, dass dem Fachmann als geeignet hierfür erscheint, auf die mindestens eine Blattkantenseite des Elektrodenstapels aufgetragen werden. Besonders geeignet sind hierzu jedoch Druckverfahren, Sprühverfahren, elektrophoretische Abscheidungsverfahren oder das Aufbringen vorgefertigter elektrisch isolierender Materialfolien. Sofern dies notwendig erscheint, können die Oberflächen der zu beschichtenden Blattkantenseiten des Elektrodenstapels und/oder die Oberflächen der elektrisch isolierenden Materialfolien mit einem Haftvermittler, wie z.B. einem Klebstoff, versehen werden. Je nachdem, welches Verfahren eingesetzt wurde, kann der so erhaltene beschichtete Elektrodenstapel direkt weiterverwendet werden, oder muss einem weiteren Verfahrensschritt unterzogen werden, in dem die Beschichtung verfestigt wird. In principle, the electrically insulating material can be applied to the at least one sheet edge side of the electrode stack by any method that appears suitable for the person skilled in the art. However, particularly suitable for this purpose are printing methods, spraying methods, electrophoretic deposition methods or the application of prefabricated electrically insulating material films. If deemed necessary, the surfaces of the sheet edge sides of the electrode stack to be coated and / or the surfaces of the electrically insulating sheets of material may be coated with a coupling agent, e.g. an adhesive provided. Depending on which method was used, the coated electrode stack thus obtained can be used directly again, or must be subjected to a further process step in which the coating is solidified.

Dies geschieht insbesondere durch Abkühlen der Beschichtung auf eine Temperatur, bei welcher diese eine ausreichende Festigkeit aufweist und/oder durch Trocknen der Beschichtung bzw. Entfernen ggf. noch in der aufgetragenen Beschichtung enthaltener Lösungsmittel unter reduziertem Druck (z.B. einem Druck von ≤ 0,7 bar, insbesondere ≤ 0,4 bar) und/oder erhöhter Temperatur (z.B. bei einer Temperatur von ≥ 30 bis ≤ 100°C, insbesondere ≥ 40 bis ≤ 70°C).This is done in particular by cooling the coating to a temperature at which it has sufficient strength and / or by drying the coating or removing possibly still contained in the applied coating solvent under reduced pressure (eg, a pressure of ≤ 0.7 bar , in particular ≤ 0.4 bar) and / or elevated temperature (eg at a temperature of ≥ 30 to ≤ 100 ° C, in particular ≥ 40 to ≤ 70 ° C).

Der durch das beschriebene Verfahren erhaltene, beschichtete Elektrodenstapel kann beispielsweise in einem elektrochemischen Energiespeichersystem verwendet werden. Durch elektrisches Verbinden der jeweiligen Anode und Kathode untereinander werden ein negativer und ein positiver Pol einer elektrochemischen Zelle ausgebildet. Solche elektrochemische Zellen, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurden, können zusammengefügt als elektrochemische Energiespeichersysteme insbesondere Lithium-Ionen-Batterien und Hybridsuperkondensatoren. Weitere Anwendungsgebiet der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten Elektroden sind insbesondere Brennstoffzellen.The coated electrode stack obtained by the described method can be used, for example, in an electrochemical energy storage system. By electrically connecting the respective anode and cathode with each other, a negative and a positive pole of an electrochemical cell are formed. Such electrochemical cells, which were manufactured by the method according to the invention, can be joined together as electrochemical energy storage systems, in particular lithium-ion batteries and hybrid supercapacitors. Further fields of application of the electrodes produced by the method according to the invention are in particular fuel cells.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die einfache und kostengünstige Herstellung eines Elektrodenstapels. Dies wird dadurch ermöglicht, dass aufgrund der auf den Blattkantenseiten des Elektrodenstapels vorgesehenen Beschichtungen die Gefahr eines Kurzschlusses durch den Kontakt unbeschichteter Teile der Separatorblätter untereinander oder mit dem Gehäuse einer elektrochemischen Zelle reduziert wird. Ferner wird durch das vorgeschlagene Verfahren das Ausrichten der einzelnen Elektroden- und Separatorblätter im Elektrodenstapel deutlich vereinfacht, da diese in dem vorliegend beschriebenen Elektrodenstapel vorzugsweise bündig miteinander abschließen. Die Elektrodenstapel sind daher mit einfachen Mitteln herstellbar und werden durch die Beschichtung zusammengehalten. The inventive method allows the simple and inexpensive production of an electrode stack. This is made possible by the fact that due to the coatings provided on the sheet edge sides of the electrode stack, the risk of a short circuit is reduced by the contact of uncoated parts of the separator sheets with each other or with the housing of an electrochemical cell. Furthermore, the alignment of the individual electrode and separator sheets in the electrode stack is significantly simplified by the proposed method, since they are preferably flush with one another in the electrode stack described herein. The electrode stacks can therefore be produced by simple means and are held together by the coating.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Figuren und Beispielen weiter erläutert.The invention is explained below with reference to figures and examples.

Es zeigenShow it

1 den schematischen Aufbau eines Elektrodenblatts in der Seitenansicht; 1 the schematic structure of an electrode sheet in the side view;

2 einen erfindungsgemäßen Elektrodenstapel im Querschnitt; 2 an electrode stack according to the invention in cross section;

3 den Elektrodenstapel nach 2 in der Draufsicht; 3 after the electrode stack 2 in the plan view;

4 einen losen Elektrodenstapel vor dem Auftragen der Beschichtung. 4 a loose electrode stack before applying the coating.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 stellt schematisch den Aufbau eines Elektrodenblattes 2 dar. Dieses umfasst vorliegend ein flächig ausgestaltetes Stromsammlerblatt 11, auf dessen Oberflächen jeweils eine Aktivmaterialschicht 10 aufgebracht ist. das Stromsammlerblatt 11 ist beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium gefertigt und weist eine Blattstärke (Schichtdicke) von 50 µm auf. Um das Elektrodenblatt 2 mit weiteren Elektrodenblättern elektrisch verbinden zu können, verfügt das Stromsammlerblatt 11 über einen Anschlussbereich 12. Dieser kann beispielsweise aus demselben Material wie das Stromsammlerblatt 11 gefertigt sein. Die Aktivmaterialschichten 10 sind auf den Oberflächen des Stromsammlerblattes 11 mit einer Schichtdicke von vorliegend rund 100 µm aufgebracht. Die Aktivmaterialschichten 10 sind beispielsweise aus 80 bis 90 Gew.-% Aktivmaterial (z.B. lithiumhaltige Mischoxide als positives Aktivmaterial), 5 bis 15 Gew.-% Bindemittel (z.B. PTFE) und 5 bis 10 Gew.-% Leitzusätze (wie Graphit oder Leitruß) zusammensetzt. Ebenso können eine oder beide der Aktivmaterialschichten 10 ein negatives Aktivmaterial umfassen. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst eine erste Aktivmaterialschicht 10 ein positives Aktivmaterial (z.B. LiFePO₄), während die zweite Aktivmaterialschicht 10 desselben Elektrodenblattes 2 ein negatives Aktivmaterial (z.B. Li₄Ti₅O₁₂) umfasst. Diese Ausführungsform ist ein bipolares Elektrodenblatt 2. Das Elektrodenblatt 2 verfügt vorliegend über eine Beschichtung 13, welche an einer Blattkantenseite 22 aufgetragen ist. Die Beschichtung 13 besteht aus einem elektrisch nicht leitfähigen, vorzugsweise poröse Material, insbesondere einem Kunststoff wie Cellulose, Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polytetrafluorethen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF). 1 schematically illustrates the structure of an electrode sheet 2 This includes in the present case a flat configured current collector sheet 11 , on whose surfaces in each case an active material layer 10 is applied. the electricity collector sheet 11 is made of copper or aluminum, for example, and has a sheet thickness (layer thickness) of 50 μm. Around the electrode sheet 2 to be able to connect electrically to other electrode sheets, has the current collector sheet 11 over a connection area 12 , This can, for example, the same material as the current collector sheet 11 be made. The active material layers 10 are on the surfaces of the current collector sheet 11 applied with a layer thickness of about 100 microns in the present case. The active material layers 10 For example, from 80 to 90 wt .-% of active material (for example, lithium-containing mixed oxides as a positive active material), 5 to 15 wt .-% binder (eg PTFE) and 5 to 10 wt .-% conductive additives (such as graphite or Leitruß) composed. Likewise, one or both of the active material layers 10 include a negative active material. In one embodiment of the invention, a first active material layer comprises 10 a positive active material (eg LiFePO ₄ ), while the second active material layer 10 same electrode sheet 2 a negative active material (eg Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ ). This embodiment is a bipolar electrode sheet 2 , The electrode sheet 2 in the present case has a coating 13 , which at a leaf edge side 22 is applied. The coating 13 consists of an electrically non-conductive, preferably porous material, in particular a plastic such as cellulose, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF).

In 2 ist ein erfindungsgemäßer Elektrodenstapel 1 im Querschnitt dargestellt. Dieser verfügt vorliegend über zwei Elektrodenblätter 2, 2‘, welche durch ein Separatorblatt 3 voneinander getrennt sind. Diese Abfolge kann innerhalb eines Elektrodenstapels 1 beliebig oft wiederholt werden, sofern zwei Elektrodenblätter 2, 2‘ jeweils durch ein Separatorblatt 3 voneinander getrennt werden. Der Aufbau der Elektrodenblätter 2, 2‘ ist im Wesentlichen gleich und entspricht dem in 1 dargestellten Aufbau. Lediglich die Materialien der Aktivmaterialschichten 10, 10‘ und das Material des Stromsammlerblattes 11, 11‘ und des Anschlussbereiches 12, 12‘ werden so ausgewählt und aufeinander abgestimmt, dass sich positive Elektrodenblätter 2 und negative Elektrodenblätter 2‘ ergeben. Der Elektrodenstapel 1 kann auch mit bipolaren Elektrodenblättern 2, 2‘ ausgeführt sein. Der Elektrodenstapel 1 verfügt vorliegend über eine Beschichtung 13, welche an einer Blattkantenseite 22 aufgetragen ist. Die Beschichtung 13 besteht aus einem elektrisch nicht leitfähigen, vorzugsweise porösen Material. Deutlich erkennbar ist, dass die Elektrodenblätter 2, 2‘ und das Separatorblatt 3 an der beschichteten Blattkantenseite 22 bündig miteinander abschließen.In 2 is an inventive electrode stack 1 shown in cross section. In the present case, this has two electrode sheets 2 . 2 ' passing through a separator sheet 3 are separated from each other. This sequence can be within an electrode stack 1 be repeated as often as required, provided two electrode sheets 2 . 2 ' each through a separator sheet 3 be separated from each other. The structure of the electrode sheets 2 . 2 ' is essentially the same and corresponds to the one in 1 shown construction. Only the materials of the active material layers 10 . 10 ' and the material of the current collector sheet 11 . 11 ' and the connection area 12 . 12 ' are chosen and matched so that positive electrode sheets 2 and negative electrode sheets 2 ' result. The electrode stack 1 can also with bipolar electrode blades 2 . 2 ' be executed. The electrode stack 1 in the present case has a coating 13 , which at a leaf edge side 22 is applied. The coating 13 consists of an electrically non-conductive, preferably porous material. It can be clearly seen that the electrode sheets 2 . 2 ' and the separator sheet 3 on the coated leaf edge side 22 flush with each other.

3 zeigt den in 2 dargestellten Elektrodenstapel 1 in der Draufsicht auf die Blattflächenseite 21. Diese wird durch die Oberfläche eines Elektrodenblattes 2, insbesondere durch dessen Aktivmaterialschicht 10 gebildet. Die Blattflächenseite 21 könnte ebenso durch die Oberfläche einer Aktivmaterialschicht 10‘ oder die Oberfläche eines Separatorblatts 3 gebildet werden. Der dargestellt Elektrodenstapel 1 ist an drei der vier Blattkantenseiten 22 mit einer Beschichtung 13 versehen. Um eine elektrochemische Zelle zu erhalten, kann der Elektrodenstapel 1 in ein Gehäuse 15, z.B. einen Beutel aus Kunststoff (sog. Pouch) eingefügt werden, welches anschließend mit einem Elektrolyt befüllt wird. 3 shows the in 2 illustrated electrode stacks 1 in the plan view of the leaf surface side 21 , This is through the surface of an electrode sheet 2 , in particular by its active material layer 10 educated. The leaf surface side 21 could also be through the surface of an active material layer 10 ' or the surface of a separator sheet 3 be formed. The illustrated electrode stack 1 is on three of the four leaf edge sides 22 with a coating 13 Mistake. To obtain an electrochemical cell, the electrode stack can 1 in a housing 15 , For example, a bag made of plastic (so-called pouch) are inserted, which is then filled with an electrolyte.

In 4 ist zur Veranschaulichung ein loser Elektrodenstapel 4 schematisch dargestellt, bevor dieser mit einer Beschichtung 13 versehen wurde. Der lose Elektrodenstapel 4 wird aus insgesamt acht Elektrodenblättern 2, 2‘ und sieben Separatorblättern 3 gebildet. Die Elektrodenblätter 2, 2‘ weisen dabei jeweils den in 1 dargestellten schematischen Aufbau auf. Die Anschlussbereiche 12, 12‘ (Ableiter) sind zur Vereinfachung nicht dargestellt. Die positiven Elektrodenblätter 2 und die negativen Elektrodenblätter 2‘ wechseln sich in der Stapelfolge 23 des losen Elektrodenstapels 4 ab und sind jeweils durch ein Separatorblatt 3 voneinander getrennt. Die nach außen gewandte Oberfläche des ersten bzw. letzten Elektrodenblattes 2 bzw. 2‘ bilden vorliegend die Blattflächenseiten 21 des losen Elektrodenstapels 4. Diese können jedoch auch durch die Oberfläche eines Separatorblatts 3 gebildet sein. Die vorliegenden vier Blattkantenseiten 22 werden durch die einander benachbarten, umlaufende Flächen gebildet, die sich durch die aufeinander gestapelten Elektrodenblätter 2, 2‘ und Separatorblätter 3 ergeben. Der erfindungsgemäße Elektrodenstapel 1 wird durch das Aufbringen einer Beschichtung 13 auf mindestens einer der Blattkantenseiten 22 über die gesamte Höhe des losen Elektrodenstapels 4 entlang der Stapelfolge 23 erreicht. In 4 is for demonstration a loose electrode stack 4 shown schematically before this with a coating 13 was provided. The loose electrode stack 4 is made up of a total of eight electrode sheets 2 . 2 ' and seven separator sheets 3 educated. The electrode sheets 2 . 2 ' each have the in 1 illustrated schematic structure. The connection areas 12 . 12 ' (Arresters) are not shown for simplicity. The positive electrode sheets 2 and the negative electrode sheets 2 ' alternate in the stacking sequence 23 of the loose electrode stack 4 from and are each through a separator sheet 3 separated from each other. The outwardly facing surface of the first or last electrode blade 2 respectively. 2 ' in the present case form the leaf surface sides 21 of the loose electrode stack 4 , However, they can also pass through the surface of a separator sheet 3 be formed. The present four page edges 22 are formed by the adjacent, circumferential surfaces, extending through the stacked electrode sheets 2 . 2 ' and separator sheets 3 result. The electrode stack according to the invention 1 is by applying a coating 13 on at least one of the leaf edge sides 22 over the entire height of the loose electrode stack 4 along the stacking sequence 23 reached.

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

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 112013001983 T5 [0005] DE 112013001983 T5 [0005]
CN 1039042996 A [0006] CN 1039042996 A [0006]
EP 1723080 B1 [0012] EP 1723080 B1 [0012]
EP 1644136 [0013] EP 1644136 [0013]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Übersichtsartikel von Philippe Knauth „Inorganic solid Li ion conductors: An overview“ Solid State Ionics, Band 180, Ausgaben 14–16, 25. Juni 2009, Seiten 911–916 [0012] Review article by Philippe Knauth "Inorganic solid Li ion conductors: An overview" Solid State Ionics, Volume 180, Issues 14-16, June 25, 2009, pages 911-916 [0012]
C. Cao, et al. in „Recent advances in inorganic solid electrolytes for lithium batteries“, Front. Energy Res., 2014, 2:25 [0012] C. Cao, et al. in "Recent advances in inorganic solid electrolytes for lithium batteries", Front. Energy Res., 2014, 2:25 [0012]

Claims

Elektrodenstapel (1), umfassend mindestens zwei flächig ausgestaltete Elektrodenblätter (2, 2‘) und mindestens ein zwischen den zwei Elektrodenblättern (2, 2‘) angeordnetes, flächig ausgestaltetes Separatorblatt (3), wobei der Elektrodenstapel (1) mindestens drei benachbarte Blattkantenseiten (22) und zwei sich gegenüberliegende Blattflächenseiten (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenstapel (1) an wenigstens einer Blattkantenseite (22) mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung (13) versehen ist, welche sich über die gesamte Höhe des Elektrodenstapels (1) erstreckt. Electrode stack ( 1 ), comprising at least two flat electrode sheets ( 2 . 2 ' ) and at least one between the two electrode sheets ( 2 . 2 ' ) arranged, extensively configured separator sheet ( 3 ), wherein the electrode stack ( 1 ) at least three adjacent leaf edge sides ( 22 ) and two opposite leaf surface sides ( 21 ), characterized in that the electrode stack ( 1 ) on at least one leaf edge side ( 22 ) with an electrically insulating coating ( 13 ), which extends over the entire height of the electrode stack ( 1 ).

Elektrodenstapel (1) nach Anspruch 1, wobei die elektrisch isolierende Beschichtung (13) ein nicht elektrisch leitfähiges keramischen Material, ein nicht elektrisch leitfähiges Polymer oder ein Gemisch davon umfasst. Electrode stack ( 1 ) according to claim 1, wherein the electrically insulating coating ( 13 ) comprises a non-electrically conductive ceramic material, a non-electrically conductive polymer, or a mixture thereof.

Elektrodenstapel (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrisch isolierenden Beschichtung (13) porös ist.Electrode stack ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein the electrically insulating coating ( 13 ) is porous.

Elektrodenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Beschichtung (13) eine Schichtdicke von ≥ 1 bis ≤ 1000 µm aufweist.Electrode stack ( 1 ) according to any one of claims 1 to 3, wherein the coating ( 13 ) has a layer thickness of ≥ 1 to ≤ 1000 microns.

Elektrodenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Maße der mindestens zwei Elektrodenblätter (2, 2‘) und des mindestens einen Separatorblatts (3) mit Ausnahme der jeweiligen Blattstärke in sämtlichen Ausdehnungsrichtungen des Elektrodenstapels (1) identisch sind und die mindestens zwei Elektrodenblätter (2, 2‘) und das mindestens eine Separatorblatt (3) an den Blattkantenseiten (22) des Elektrodenstapels (1) bündig miteinander abschließen. Electrode stack ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, wherein the dimensions of the at least two electrode sheets ( 2 . 2 ' ) and the at least one separator sheet ( 3 ) with the exception of the respective blade thickness in all directions of extension of the electrode stack ( 1 ) are identical and the at least two electrode sheets ( 2 . 2 ' ) and the at least one separator sheet ( 3 ) at the leaf edge sides ( 22 ) of the electrode stack ( 1 ) flush with each other.

Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Elektrodenstapels (1) nach Anspruch 1, umfassend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen mindestens eines positiven Elektrodenblatts (2), mindestens eines negativen Elektrodenblatts (2‘) oder mindestens zweier bipolarer Elektrodenblätter (2, 2‘) sowie mindestens eines Separatorblatts (3); b) Ausbilden eines losen Elektrodenstapels (4) durch Aufeinanderschichten des mindestens einen positiven Elektrodenblatts (2), des mindestens einen negativen Elektrodenblatts (2‘) und des mindestens einen Separatorblatts (3), sodass zwischen je zwei Elektrodenblättern (2, 2‘) mindestens ein Separatorblatt (3) angeordnet ist, oder durch Aufeinanderschichten der mindestens zwei bipolaren Elektrodenblätter (2, 2‘) und des und des mindestens einen Separatorblatts (3), sodass sich je eine negative und eine positive Aktivmaterialschicht (10) der bipolaren Elektrodenblätter (2, 2‘) gegenüber liegen und durch ein Separatorblatt (3) zwischen den zwei bipolaren Elektrodenblättern (2, 2‘) angeordnet ist; c) Ausrichten der Elektrodenblätter (2, 2‘) und der Separatorblätter (3) des losen Elektrodenstapels (4); d) Aufbringen mindestens einer zusammenhängenden Beschichtung (13) aus einem elektrisch isolierenden Material auf mindestens einer Blattkantenseite (22) des losen Elektrodenstapels (4) über die gesamte Höhe der Blattkantenseite 22 des losen Elektrodenstapels (4), um so einen beschichteten Elektrodenstapel (1) zu erhalten. Process for producing a coated electrode stack ( 1 ) according to claim 1, comprising the method steps: a) providing at least one positive electrode sheet ( 2 ), at least one negative electrode sheet ( 2 ' ) or at least two bipolar electrode sheets ( 2 . 2 ' ) and at least one separator sheet ( 3 ); b) forming a loose electrode stack ( 4 ) by stacking the at least one positive electrode sheet ( 2 ), of the at least one negative electrode sheet ( 2 ' ) and the at least one separator sheet ( 3 ), so that between every two electrode sheets ( 2 . 2 ' ) at least one separator sheet ( 3 ), or by stacking the at least two bipolar electrode sheets ( 2 . 2 ' ) and the and at least one separator sheet ( 3 ), so that each have a negative and a positive active material layer ( 10 ) of the bipolar electrode sheets ( 2 . 2 ' ) and by a separator sheet ( 3 ) between the two bipolar electrode sheets ( 2 . 2 ' ) is arranged; c) aligning the electrode sheets ( 2 . 2 ' ) and the separator sheets ( 3 ) of the loose electrode stack ( 4 ); d) applying at least one coherent coating ( 13 ) of an electrically insulating material on at least one sheet edge side ( 22 ) of the loose electrode stack ( 4 ) over the entire height of the leaf edge side 22 of the loose electrode stack ( 4 ) so as to have a coated electrode stack ( 1 ) to obtain.

Verfahren nach Anspruch 6, wobei das elektrisch isolierende Material ein nicht elektrisch leitfähiges, poröses keramisches Material, ein nicht elektrisch leitfähiges poröses Polymer oder ein Gemisch davon umfasst. The method of claim 6, wherein the electrically insulating material comprises a non-electrically conductive, porous ceramic material, a non-electrically conductive porous polymer, or a mixture thereof.

Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das elektrisch isolierende Material durch ein Druckverfahren, ein Sprühverfahren, ein elektrophoretisches Abscheidungsverfahren oder das Aufbringen einer vorgefertigten elektrisch isolierenden Materialfolie aufgebracht wird.The method of claim 6 or 7, wherein the electrically insulating material is applied by a printing method, a spraying method, an electrophoretic deposition method or the application of a prefabricated electrically insulating material film.

Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das elektrisch isolierende Material umlaufend an allen Blattkantenseiten (22) des Elektrodenstapels (1) aufgebracht wird. Method according to one of claims 6 to 8, wherein the electrically insulating material circumferentially on all leaf edge sides ( 22 ) of the electrode stack ( 1 ) is applied.

Verwendung eines Elektrodenstapels (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem elektrochemischen Energiespeichersystem. Use of an electrode stack ( 1 ) according to one of claims 1 to 5 in an electrochemical energy storage system.

Elektrochemisches Energiespeichersystem, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, umfassend mindestens einen Elektrodenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.Electrochemical energy storage system, in particular lithium-ion battery, comprising at least one electrode stack ( 1 ) according to one of claims 1 to 5.