DE102016217600A1

DE102016217600A1 - Strukturierte Elektrode und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102016217600A1
Application number: DE102016217600.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Sauter; Joerg THIELEN; Felix Eberhard Hildebrand
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-15
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2018-03-15
Also published as: WO2018050560A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine schichtförmige Elektrode (10), umfassend mindestens einen Stromsammler (20), mindestens eine Aktivmaterialschicht (30) und mindestens einen Festelektrolytschicht (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivmaterialschicht (30) auf mindestens einer Oberfläche O(S) des Stromsammlers (20) angeordnet ist und Vertiefungen (60) auf der von dem Stromsammler (20) abgewandten Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht (30) ausgebildet sind, wobei eine Festelektrolytschicht (40) derart auf der mit den Vertiefungen (60) versehenen Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht (30) angeordnet ist, sodass die Vertiefungen (60) wenigstens teilweise mit der Festelektrolytschicht (40) ausgefüllt sind. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung der Elektrode (10) sowie deren Verwendung offenbart.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine strukturierte, schichtförmige Elektrode, ein Verfahren zur Herstellung derselben sowie deren Verwendung in elektrochemischen Energiespeichersystemen.
Herkömmliche elektrochemische Energiespeichersysteme wie Batterien, Superkondensatoren oder Hybridsuperkondensatoren umfassen Energiespeicherzellen mit porösen schichtförmigen Elektroden. Diese Elektroden umfassen ein partikuläres Aktivmaterial (auch als Elektrodenaktivmaterial bezeichnet), welches auf einem elektrisch leitenden Material, welches als Stromsammler fungiert, aufgebracht ist. Die Schichtdicke der Aktivmaterialschicht liegt üblicherweise in einem Bereich von etwa 10 μm bis 150 μm. Die maximale Schichtdicke ist dabei im Wesentlichen durch die effektive ionische Leitfähigkeit und Diffusivität des Elektrolyten im Porensystem der Elektrode begrenzt. Für eine möglichst hohe Energiedichte der Elektrode und damit auch der Batteriezelle ist jedoch ein möglichst großes Verhältnis der Schichtdicke der Aktivmaterialschicht zur Schichtdicke des elektrisch leitenden Materials des Stromsammlers vorteilhaft.
CN 103730630 A offenbart eine Elektrode für einen Energiespeicher, welche ein Aktivmaterial umfasst, wobei das Aktivmaterial gleichmäßig in ein dreidimensionales aus Kohlenstoffnanoröhrchen eingebettet und von einer Polymerelektrolytschicht umgeben ist.
DE 10 2012 215 921 A1 schlägt eine Batterie mit einer Aktivmaterialschicht vor, in die Vertiefungen eingebracht wurden, um den Ionentransport auch in die tieferen Schichten nahe des Stromabnehmers zu verbessern und damit eine größere Dicke der Schicht bei gleichzeitiger Reduktion der Gesamtporosität zu ermöglichen. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass durch die Vielzahl an Vertiefungen in der Aktivmaterialschicht die Stabilität derselben reduziert wird. So kann es leichter zum Bruch der Aktivmaterialschicht kommen. Außerdem beschränkt sich die Offenbarung auf die Verwendung des gleichen Elektrolyten in der Aktivmaterialschicht und den eingebrachten Vertiefungen und umfasst nicht die Möglichkeit der Anwesenheit von Aktivmaterialpartikeln mit niedrigerem Volumenanteil auch in den Vertiefungen.
Somit besteht die Notwendigkeit, die bisherigen Batterien mit schichtförmigen Elektroden diesbezüglich zu verbessen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Elektrode für elektrochemische Energiespeichersysteme bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die nachfolgend beschriebene Erfindung gelöst.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine schichtförmige Elektrode, umfassend mindestens einen Stromsammler, mindestens eine Aktivmaterialschicht und mindestens eine Festelektrolytschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivmaterialschicht auf mindestens einer Oberfläche O(S) des Stromsammlers angeordnet ist und Vertiefungen auf der von dem Stromsammler abgewandten Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht ausgebildet sind, wobei eine Festelektrolytschicht derart auf der mit den Vertiefungen versehenen Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht angeordnet ist, sodass die Vertiefungen wenigstens teilweise mit der Festelektrolytschicht ausgefüllt sind.
Unter dem Begriff „Vertiefung” im Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere lochartige oder gitterartige Strukturen verstanden. Diese weisen insbesondere ein Seitenverhältnis von „Tiefe” (in Dickenrichtung der Elektrode) zu maximaler lateraler Ausdehnung (in der Elektrodenebene) auf, insbesondere haben sich dabei Seitenverhältnisse von 1:1 oder größer, besonders bevorzugt von 2:1 oder größer, insbesondere in einem Bereich von ≥ 4:1 bis ≤ 5:1, als vorteilhaft im Sinne der vorliegenden Erfindung erwiesen.
Unter dem Begriff „porös” im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere verstanden, dass zwischen den Aktivmaterialpartikeln Hohlräume bestehen, die mit Elektrolyt, insbesondere Festelektrolyt, gefüllt sind und der Bereitstellung der ionischen Leitfähigkeit und Diffusivität innerhalb der Elektrode dienen. Im Sinne dieser Erfindung ist die Porosität innerhalb der Elektrode nicht homogen verteilt, sondern teilweise gezielt durch gerichtete Vertiefungen in die Elektrode eingebracht.
Unter dem Begriff „schichtförmig” im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere verstanden, dass die Elektrode so dreidimensional aufgebaut ist, dass die maximale Ausdehnung in einer der Raumrichtungen gleich oder weniger als 20%, bevorzugt gleich oder weniger als 10% des Durchschnitts der maximalen Ausdehnung in den beiden anderen Raumrichtungen beträgt.
Der Begriff „Elektrode” bezeichnet die negative Elektrode (Anode) und/oder positive Elektrode (Kathode) eines elektrochemischen Energiespeichersystems, insbesondere einer Batterie. Selbstverständlich kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Batterie sowohl die Anode wie die Kathode gemäß der vorliegenden Erfindung mit Vertiefungen ausgestattet sein.
Unter dem Begriff „elektrochemisches Energiespeichersystem“ im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird insbesondere eine Vorrichtung verstanden, die durch die serielle und/oder parallele Verschaltung von elektrochemischen Zellen erfolgt. Diese elektrochemischen Zellen bestehen ihrerseits aus einer positiven und einer negativen Elektrode, deren elektrochemisches Potential unterschiedlich ist und die über einen ionenleitenden Elektrolyten verbunden, jedoch durch einen elektrisch isolierenden Separator voneinander getrennt sind. Die daraus resultierende Separation von Elektronen- und Ionenfluss kann als Energiespeicher genutzt werden. Beispiele solcher elektrochemischer Energiespeichersysteme sind Batterien, insbesondere Lithium-haltige Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien und Hybridsuperkondensatoren.
Unter dem Begriff „Stromsammler” im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere verstanden, dass die Elektrodenbeschichtung auf ein dünnes Metallblech, typischerweise aus Aluminium oder Kupfer, aufgebracht wird, das als Stützstruktur für die Elektrode und zur Sammlung des Stroms dient. Dieser kann auch sehr dünn in Form einer Metallfolie ausgestaltet sein.
Die erfindungsgemäße Aktivmaterialschicht umfasst mindestens ein Aktivmaterial. Geeignete Anodenaktivmaterialien sind dem Fachmann bekannt. Insbesondere auf Kohlenstoff oder Silizium basierenden Anoden, welche in der Lage sind, Legierungs- oder Interkalationsverbindungen mit Lithium-Ionen zu bilden, sind bevorzugte Anodenaktivmaterialien. Beispiele sind Anoden, umfassend Graphit oder mono- oder polykristallines Silizium oder amorphes Silizium.
Das positive Aktivmaterial kann ein zusammengesetztes Oxid umfassen, welches mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Magnesium, Nickel, sowie Lithium, enthält.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Kathodenaktivmaterial, umfassend eine Verbindung der Formel LiMO₂, wobei M ausgewählt ist aus Co, Ni, Mn oder Gemischen von diesen sowie Gemischen von diesen mit Al. Insbesondere ist LiCoO₂ zu nennen.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kathodenaktivmaterial um ein Material, welches Nickel umfasst, d.h. LiNi_1-xM‘_xO₂, wobei M‘ ausgewählt ist aus einem oder mehreren der Elemente Co, Mn und Al und 0 ≤ x < 1 ist. Beispiele umfassen Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid-Kathoden (z.B. LiNi_0,8Co_0,15Al_0,05O₂; NCA) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Kathoden (z.B. LiNi_0,8Mn_0,1Co_0,1O₂ (NMC (811)), LiNi_0,33Mn_0,33Co_0,33O₂ (NMC (111)), LiNi_0,6Mn_0,2Co_0,2O₂ (NMC (622)), LiNi_0,5Mn_0,3Co_0,2O₂ (NMC (532)) oder LiNi_0,4Mn_0,3Co_0,3O₂ (NMC (433)).
Ferner sind als bevorzugte positive Aktivmaterialien überlithiierte Oxide zu nennen, welche dem Fachmann bekannt sind. Beispiele hierfür sind Schichtoxide der allgemeinen Formel n(Li₂MnO₃):1 – n(LiMO₂) mit M = Co, Ni, Mn, Cr und 0 ≤ n ≤ 1 und Spinelle der allgemeinen Formel n(Li₂MnO₃):1 – n(LiM₂O₄) mit M = Co, Ni, Mn, Cr und 0 ≤ n ≤ 1.
Ferner sind insbesondere Spinellverbindungen der Formel LiM_xMn_2-xO₄ mit M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe (z.B. LiMn₂O₄, LiNi_0.5Mn_1.5O₄), Olivinverbindungen der Formel LiMPO₄ mit M = Mn, Ni, Co, Cu, Cr, Fe (z.B. LiFePO₄, LiMnPO₄), Silikatverbindungen der Formel Li₂MSiO₄ mit M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe, Mn (z.B. Li₂FeSiO₄), Tavoritverbindungen (z.B. LiVPO₄F), Li₂MnO₃, Li_1.17Ni_0.17Co_0.1Mn_0.56O₂ und Li₃V₂(PO₄)₃ als geeignete positive Aktivmaterialien hervorzuheben. Ferner sind auch Konversionsmaterialien wie z.B. SPAN (Polyacrylnitril, das mit einem Überschuss an Schwefel bei erhöhter Temperatur im Bereich 300°C–500°C umgesetzt wurde und dabei Schwefel-Seitenketten und -Brücken ausgebildet hat), Eisenfluorid (FeF₃) oder Eisenoxifluoride (FeOF) geeignete Aktivmaterialien.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bindemittel in der Aktivmaterialschicht ein Festelektrolyt, insbesondere ein Polymerelektrolyt.
Festelektrolyte im Sinne dieser Erfindung sind Feststoffe, die für mindestens eine Ionensorte eine Ionenleitfähigkeit aufweisen. Beispiele geeigneter Festelektrolyte umfassen LiTiCoO₄, Li₂PO₂N, Li₄Ti₅O₁₂, Verbindungen vom NASICON- oder LISICON-Typ (z.B. Verbindungen der allgemeinen Formeln Li_1+xZr₂Si_xP_3-xO₁₂ mit 0 < x < 3 bzw. Li_2+2xZn_1-xGeO₄ mit 0 < x < 1), sulfidische Gläser wie z.B. LSPS, Granatstrukturen wie z.B. LLTO (Li_3xLa_2/3-xTiO₃ mit x = 0,1) oder LLZO (Li₇La₃Zr₂O₁₂) und Polymerelektrolyte. Der Festelektrolyt kann dabei gleich dem Festelektrolyten der Festelektrolytschicht sein, oder verschieden von diesem sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Festelektrolyt ein Polymerelektrolyt. Geeignete Polymerelektrolyte umfassen mindestens ein Polymer und mindestens ein Leitsalz. Als geeignete Polymere sind Polyalkylenoxide, wie z.B. Polyethylenoxid (PEO) und Polypropylenoxid (PPO), Polyacrylate, wie z.B. Poly[2-(2-methoxyethoxyethylglycidylether)] (PMEEGE), Polyphosphazene, Polysiloxane, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Poylvinylidenfluorid-co-polyhexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polyacrylnitril (PAN) und Styrol-Butadien-Copolymere (SBR) zu nennen.
In einer Ausführungsform umfassen geeignete Polymerelektrolyte Copolymere von Alkylenoxiden und Acrylaten, Phosphazenen oder Siloxanen, wobei eine Acrylat-, Phosphazen- bzw. Siloxanpolymerkette als Hauptkette vorliegt, welche mit Polyalkylenketten als Seitenketten substituiert ist. Darüber hinaus kann der Polymerelektrolyt auch Gemische der vorgenannten Polymere umfassen.
Ferner umfasst der Polymerelektrolyt mindestens ein Leitsalz. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein Alkalimetallsalz. Besonders bevorzugt sind Natrium- und Lithiumsalze, insbesondere Lithiumsalze. Geeignete Beispiele für solche Lithium-Leitsalze umfassen Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), LiSbF₆, LiAsF₆, Li(CF₃)SO₂NSO₂(CF₃) (LiTFSI), LiClO₄, Lithiumbis(oxalato)borat (Li[B(C₂O₄)₂], LiBOB) und Lithiumdifluoro(oxalato)borat (Li[BF₂(C₂O₄)], LiDFOB). Diese könne jeweils einzeln, oder in Kombination miteinander verwendet werden. Vorzugsweise macht das mindestens eine Leitsalz einen Anteil von 1 bis 5 Gew.-%, insbesondere 2 bis 3 Gew.-% des Gesamtgewichts der Polymerelektrolytschicht aus.
Die Aktivmaterialschicht umfasst mindestens 60 Gew.-% an Aktivmaterial, insbesondere mindestens 70 Gew.-%, vorzugsweise 75 bis 90 Gew.-%.
Als weitere Bestandteile kann die Aktivmaterialschicht gegebenenfalls Bindemittel wie Polyacrylsäure (PAA), Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Copolymer (SBR), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethen (PTFE) und Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM) umfassen, um die Stabilität der Elektroden zu erhöhen. Ferner können Leitzusätze wie Leitruß oder Graphit enthalten sein.
In einer weiteren Ausführungsform besteht die Aktivmaterialschicht im Wesentlichen aus dem Aktivmaterial, sowie ggf. Leitzusätzen und Bindemittel. Das bedeutet, dass die Aktivmaterialschicht in dieser Ausführungsform im Wesentlichen frei von Festelektrolyt ist.
Im Sinne dieser Erfindung bedeutet der Begriff „im Wesentlichen” größer oder gleich 95% (Gew.-%, sofern anwendbar), bevorzugt größer oder gleich 97% (Gew.-%, sofern anwendbar), ferner bevorzugt größer oder gleich 98% (Gew.-%, sofern anwendbar), sowie am meisten bevorzugt größer oder gleich 99% (Gew.-%, sofern anwendbar).
Der Stromsammler ist, wie bereits zuvor erwähnt, flächig als Metallblech ausgebildet und umfasst ein elektronisch leitfähiges Material. Typischerweise besteht der Stromsammler aus Kupfer oder Aluminium, welches vorzugsweise sehr dünn in Form einer Metallfolie mit einer Dicke von < 300 µm, insbesondere in einem Bereich von 5 bis 200 µm.
Die erfindungsgemäße Elektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass Vertiefungen auf der von dem Stromsammler abgewandten Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht ausgebildet sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der durchschnittliche Durchmesser der Vertiefungen ≥ 1 μm bis ≤ 150 μm.
Dabei ist, wenn die Vertiefungen eine Gitterstruktur oder eine gitterähnliche Struktur umfassen, mit „Durchmesser” der querschnittsflächenäquivalente Durchmesser der Querschnittsfläche senkrecht zur Richtung des Gitters gemeint (= Durchmesser einer Kreisfläche gleichen Querschnitts).
Dieser Durchmesser hat sich als besonders bevorzugt herausgestellt, da so die erfindungsgemäßen Vorteile bei vielen Anwendungen in hervorragender Weise erzielt werden können, ohne dass der Anteil an Aktivmaterial in der Elektrodenbeschichtung zu sehr reduziert wird.
Bevorzugt beträgt der durchschnittliche Durchmesser der Vertiefungen von ≥ 20 μm bis ≤ 100 μm, stärker bevorzugt ≥ 40 μm bis ≤ 70 μm.
Bevorzugt erstrecken sich die Vertiefungen im Durchschnitt bis ≥ 50 % der Schichtdicke der Aktivmaterialschicht. Dadurch kann bei den meisten Anwendungen eine gute Ionenleitfähigkeit innerhalb der Aktivmaterialschicht erreicht werden. Noch stärker bevorzugt erstrecken sich die Vertiefungen im Durchschnitt bis ≥ 80% der Schichtdicke der Aktivmaterialschicht, ferner bevorzugt bis ≥ 90% der Schichtdicke der Aktivmaterialschicht. Eine zu starke Reduktion der Menge an Aktivmaterial wirkt sich nachteilig auf die Energiedichte der Elektrode aus. Um diese nicht unnötig stark zu reduzieren, erstrecken sich die Vertiefungen im Durchschnitt bis ≤ 98% der Schichtdicke der Aktivmaterialschicht, insbesondere bis ≤ 95% der Schichtdicke der Aktivmaterialschicht.
Bevorzugt nimmt der mittlere Querschnitt der überwiegenden Zahl der Vertiefungen in Richtung des Elektrodenblechs ab. Dies sorgt insbesondere für eine gleichmäßige Versorgung der Elektrode mit reagierenden oder interkalierenden Ionenspezies (z. B. Li⁺ im Falle von Lithium-Akkumulatoren) bei gleichzeitiger Minimierung des nötigen Porenvolumens, da die Ionenstromdichte in der Elektrode in Richtung des Elektrodenblechs abnimmt und gleichermaßen die Elektronenstromdichte zunimmt.
Im Sinne dieser Erfindung bedeutet der Begriff „überwiegend” größer oder gleich 80% (Gew.-%, sofern anwendbar), bevorzugt größer oder gleich 90% (Gew.-%, sofern anwendbar), ferner bevorzugt größer oder gleich 95% (Gew.-%, sofern anwendbar), sowie am meisten bevorzugt größer oder gleich 98% (Gew.-%, sofern anwendbar).
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Vertiefungen eine konische oder pyramidale Form auf, die gegebenenfalls auch in einer Vielzahl von Stufen ausgebildet sein kann. In einer alternativen Ausführungsform sind die Vertiefungen in Form von Rinnen ausgebildet.
Bevorzugt ist der durchschnittliche Abstand zwischen zwei Vertiefungen größer oder gleich das 0,1-fache bis kleiner oder gleich das 5-fache des durchschnittlichen Durchmessers der Vertiefungen, bevorzugt von größer oder gleich das 0,3-fache bis kleiner oder gleich das 3-fache, insbesondere von größer oder gleich das 0,5-fache bis kleiner oder gleich das 2-fache des durchschnittlichen Durchmessers der Vertiefungen, gemessen vom Rand der jeweiligen Vertiefung.
Bevorzugt ist der Flächenanteil an Vertiefungen auf der dem Stromsammler abgewandten Oberfläche der Elektrode von ≥ 10% bis ≤ 90%. Dies hat sich als besonders bevorzugt herausgestellt, da so die erfindungsgemäßen Vorteile bei vielen Anwendungen in hervorragender Weise erzielt werden können, ohne dass die Stabilität der Aktivmaterialschicht beeinträchtigt wird.
Noch stärker bevorzugt beträgt der Flächenanteil an Vertiefungen auf der elektrodenblechabgewandten Seite der Elektrode von ≥ 20% bis ≤ 80%%, sowie am meisten bevorzugt von ≥ 30% bis ≤ 70%.
Die erfindungsgemäße Elektrode umfasst ferner mindestens eine Festelektrolytschicht, welche auf der von dem Stromsammler abgewandten Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht angeordnet ist. Die mindestens eine Festelektrolytschicht umfasst eine Elektrolytzusammensetzung, welche die Vertiefungen wenigstens teilweise, vorzugsweise vollständig, ausfüllt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist auch der Teile der von dem Stromsammler abgewandten Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht, welcher keine Vertiefungen aufweist mit der mindestens einen Festelektrolytschicht wenigstens teilweise bedeckt. Die Schichtdicke der mindestens einen Festelektrolytschicht beträgt so an seiner dünnsten Stelle vorzugsweise mindestens 1 µm, vorzugsweise mindestens 10 µm insbesondere 15 bis 50 µm.
Die Elektrolytzusammensetzung umfasst mindestens einen Festelektrolyten und ggf. mindestens ein Leitsalz. Geeignete Festelektrolyte und Leitsalze sind die zuvor im Rahmen der Bestandteile der Aktivmaterialschicht bereits genannten. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Festelektrolyte der Elektrolytzusammensetzung bzw. der Festelektrolytschicht und die ggf. in der Aktivmaterialschicht enthaltenen Festelektrolyte identisch.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Festelektrolytschicht mindestens ein Aktivmaterial. Dieses kann gleich dem Aktivmaterial der Aktivmaterialschicht der Elektrode sein, oder verschieden von diesem sein.
Die Aktivmaterialpartikel in der Festelektrolytschicht können sich dabei insbesondere in ihrem Volumen und/oder ihrer Form von den Aktivmaterialpartikeln in der Aktivmaterialschicht unterscheiden. Vorzugsweise weisen die Aktivmaterialpartikel in der Festelektrolytschicht ein größeres Volumen auf als die Aktivmaterialpartikel in der Aktivmaterialschicht. Zur elektrischen Anbindung der Aktivmaterialpartikel, insbesondere bei geringem Anteil an Aktivmaterial in der mindestens einen Festelektrolytschicht, können die Aktivmaterialschicht und/oder die mindestens einen Festelektrolytschicht Leitzusätze, wie z.B. Leitruß, umfassen.
Der Anteil an Aktivmaterial in der Festelektrolytschicht ist dabei geringer als in der Aktivmaterialschicht, um durch den verbleibenden, entsprechend höheren Anteil an Festelektrolyt einen besseren Ionentransport zu gewährleisten als in der Aktivmaterialschicht. In der Regel umfasst die Festelektrolytschicht nicht mehr als 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Festelektrolytschicht, an Aktivmaterial. Bevorzugt beträgt der Anteil an Aktivmaterial in der Festelektrolytschicht nicht mehr als 40 Gew.-%, insbesondere liegt der Anteil in einem Bereich von 0 bis 30 Gew.-%, beispielsweise in einem Bereich von 2 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Festelektrolytschicht. Dadurch wird erreicht, dass die Bereiche mit niedrigem Aktivmaterialanteil verbesserte Ionentransporteigenschaften aufweisen und so den schnellen Transport der Ladungsträger in tiefergelegene Bereiche der Aktivmaterialschicht nahe des Stromsammlers ermöglichen.
Eine Ausführungsform betrifft beispielsweise eine schichtförmige Elektrode, bei der der Anteil an Aktivmaterial in der Aktivmaterialschicht mindestens 60 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterialschicht ausmacht und der Anteil an Aktivmaterial in der Festelektrolytschicht höchstens 50 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Festelektrolytschicht ausmacht.
Eine weitere Ausführung betrifft eine schichtförmige Elektrode, umfassend einen Stromsammler, einer auf dem Stromsammler aufgebrachten Aktivmaterialschicht und einer Vielzahl von Festelektrolytschichten mit jeweils vertikal wiederholten, identisch geformten Vertiefungen. Vorzugweise umfasst eine solche Elektrode mindestens zwei Festelektrolytschichten F1, F2 und vorzugsweise nicht mehr als zehn, insbesondere nicht mehr als fünf Festelektrolytschichten. Die Festelektrolytschichten sind dabei flächig übereinander angeordnet. Die Festelektrolytschichten unterscheiden sich beispielsweise in der Art und/oder Menge des Festelektrolyten, in der Art und/oder Menge des enthaltenen Aktivmaterials und/oder in der Art und/oder Menge des zugegebenen Leitzusatzes voneinander.
In einer bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die einzelnen Festelektrolytschichten darin voneinander, dass der Anteil an Aktivmaterial in der jeweiligen Festelektrolytschicht F1, F2, usw. mit zunehmendem Abstand der Festelektrolytschicht von der Aktivmaterialschicht abnimmt. In einer weiteren Ausführungsform nimmt der Anteil an Leitzusatz in der jeweiligen Festelektrolytschicht F1, F2, usw. mit zunehmendem Abstand von der Aktivmaterialschicht zu. Beide Ausführungsformen können allein oder in Kombination miteinander eingesetzt werden. Beispielsweise ist der Anteil an Aktivmaterial in der unmittelbar auf der Oberfläche der Aktivmaterialschicht aufgebrachten ersten Festelektrolytschicht F1 größer als der Anteil an Aktivmaterial in der auf der Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht F1 aufgebrachten zweiten Festelektrolytschicht F2. Im Gegenzug oder alternativ ist der Gehalt an Leitzusatz in der ersten Festelektrolytschicht F1 geringer als in der jeweils darauffolgenden Festelektrolytschicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind dabei die in der Aktivmaterialschicht und den Festelektrolytschichten verwendeten Festelektrolyte sowie die Aktivmaterialien jeweils identisch.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten, schichtförmigen Elektrode, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen eines Stromsammlers;
b) Aufbringen einer Aktivmaterialzusammensetzung, umfassend mindestens ein Aktivmaterial, auf mindestens einen Teil einer Oberfläche O(T) eines Trägermaterials T, um so eine Aktivmaterialschicht zu erhalten;
c) Strukturierung der Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht, sodass sich in regelmäßigen Abständen Vertiefungen in der Aktivmaterialschicht ergeben, um so eine strukturierte Aktivmaterialschicht zu erhalten;
d) Aufbringen einer Elektrolytzusammensetzung, umfassend mindestens einen Festelektrolyten auf mindestens einen Teil der Oberfläche O(A) der strukturierten Aktivmaterialschicht, sodass die Vertiefungen in der strukturierten Aktivmaterialschicht mindestens teilweise mit der Elektrolytzusammensetzung ausgefüllt werden, um so eine Festelektrolytschicht zu erhalten.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten, mehrschichtigen Elektrode, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen eines Stromsammlers;
b) Aufbringen einer Aktivmaterialzusammensetzung, umfassend mindestens ein Aktivmaterial, auf mindestens einen Teil einer Oberfläche O(T) eines Trägermaterials, um so eine Aktivmaterialschicht zu erhalten;
c) Strukturierung der Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht, sodass sich in regelmäßigen Abständen Vertiefungen in der Aktivmaterialschicht ergeben, um so eine strukturierte Aktivmaterialschicht zu erhalten;
d) Aufbringen einer ersten Elektrolytzusammensetzung, umfassend mindestens einen Festelektrolyten, auf mindestens einen Teil der Oberfläche O(A) der strukturierten Aktivmaterialschicht, sodass die Vertiefungen in der strukturierten Aktivmaterialschicht mindestens teilweise mit der Elektrolytzusammensetzung ausgefüllt werden, um so eine erste Festelektrolytschicht F1 zu erhalten.
e) Strukturierung der Oberfläche O(F1) der ersten Festelektrolytsicht F1, sodass sich in regelmäßigen Abständen Vertiefungen in der ersten Festelektrolytschicht F1 ergeben, um so eine strukturierte ersten Festelektrolytschicht F1 zu erhalten;
f) Aufbringen einer zweiten Elektrolytzusammensetzung, umfassend mindestens einen Festelektrolyten, auf mindestens einen Teil der Oberfläche O(F1) der strukturierten ersten Festelektrolytschicht F1, sodass die Vertiefungen in der strukturierten ersten Festelektrolytschicht F1 mindestens teilweise mit der zweiten Elektrolytzusammensetzung ausgefüllt werden, um so eine zweite Festelektrolytschicht F2 zu erhalten.
g) Gegebenenfalls Wiederholen der Verfahrensschritte e) und f) bis die gewünschte Anzahl an Festelektrolytschichten F aufgebracht sind.

Die einzelnen Elektrolytzusammensetzungen, aus denen die Festelektrolytschichten F1, F2, usw. gebildet werden, unterscheiden sich beispielsweise in der Art und/oder Menge des Festelektrolyten, in der Art und/oder Menge des enthaltenen Aktivmaterials und/oder in der Art und/oder Menge des zugegebenen Leitzusatzes voneinander.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Vertiefungen auf der Oberfläche der strukturierten Aktivmaterialschicht und auf den Oberflächen der Festelektrolytschichten jeweils dieselbe Form auf.
Hinsichtlich der einzelnen Bestandteile, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden, gelten, sofern nachfolgend nichts Anderslautendes erwähnt wird, die zuvor gemachten Definitionen und Erläuterungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Elektrolytzusammensetzung eine höhere effektive Ionenleitfähigkeit sowie eine höhere effektive Ionendiffusivität auf als die Aktivmaterialzusammensetzung.
Die Aktivmaterialzusammensetzung umfasst neben dem Aktivmaterial gegebenenfalls Leitzusätze, Bindemittel und/oder Polymerelektrolyte. Darüber hinaus kann die Aktivmaterialzusammensetzung mindestens ein Lösungsmittel umfassen. Geeignete Lösungsmittel sind N-C_1-6-Alkylrpyrrolidone, insbesondere N-Methylpyrrolidon und N-Ethylpyrrolidon.
Die Aktivmaterialzusammensetzung umfasst beispielsweise 80 bis 95 Gew.-% Aktivmaterial, 1 bis 5 Gew-% Leitzusätze, 1 bis 5 Gew.-% Bindemittel und 5 bis 10 Gew.-% Lösungsmittel. Die Zusammensetzung bildet so eine Paste, die gut verarbeitbar ist. Sie kann auf die Oberfläche O(T) eines Trägermaterials T aufgebracht und strukturiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich dabei um die Oberfläche O(S) eines Stromsammlers. Die strukturierte Schicht behält die im Strukturierungsschritt gegebene Form bei.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Aktivmaterialzusammensetzung einen Polymerelektrolyten. Vorzugsweise umfasst die Aktivmaterialzusammensetzung keine Lösungsmittel, sofern ein Polymerelektrolyt eingesetzt wird. Auch die Bindemittel sind in diesem Fall in der Regel nicht notwendig. Beispielsweise umfasst die Aktivmaterialzusammensetzung 80 bis 95 Gew.-%, insbesondere 85 bis 95 Gew.-% Aktivmaterial und 5 bis 20 Gew.-%, insbesondere 5 bis 15 Gew.-% Polymerelektrolyt, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterialzusammensetzung. Die Zusammensetzung kann ferner 0 bis 5 Gew.-%, insbesondere 1 bis 2 Gew.-% eines Leitzusatzes, z.B. Leitruß, umfassen. Die Aktivmaterialzusammensetzung bildet so einen Feststoff, der bei Erreichen der Glasübergangstemperatur T_g des Polymerelektrolyten form- und verarbeitbar wird. Sie kann auf die Oberfläche O(T) eines Trägermaterials bzw. die Oberfläche O(S) eines Stromsammlers aufgebracht und strukturiert werden. Die strukturierte Schicht behält die im Strukturierungsschritt gegebene Form bei.
Die Strukturierung der Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht kann mit jedem dem Fachmann bekannten Verfahren vorgenommen werden, beispielweise unter Verwendung einer Presse, eines Stempels, eines Strukturrakels oder einer strukturierten Walze.
In Hinblick auf die bevorzugte Durchführung in einem kontinuierlichen Fertigungsverfahren wird vorzugsweise eine strukturierte Walze verwendet. Dies hat sich als besonders zweckmäßig herausgestellt, da bei den meisten Anwendungen bei der Herstellung der Elektroden bereits ein Walzschritt vorgesehen ist und so durch einfaches Auswechseln der Walze die erfindungsgemäße Elektrode hergestellt werden kann.
Das eingesetzte Werkzeug weist auf der Oberfläche ein Negativ der angestrebten Zielstruktur der Oberfläche O(A) der strukturierten Aktivmaterialschicht auf. Das bedeutet, dass das Werkzeug auf seiner Oberfläche Erhebungen in Form von Pyramiden, Kegeln, usw. aufweist.
Insbesondere im Falle der Verwendung von Polymerelektrolyten ist es bevorzugt, dass die Elektrolytzusammensetzung beim Strukturieren eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg aufweist. Durch das Erwärmen kann die Viskosität der Elektrolytzusammensetzung modifiziert werden. Hierzu kann beispielsweise die bereitgestellte Elektrolytzusammensetzung vor dem Aufbringen auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Wasserbades. Denkbar ist allerdings auch, dass das Aufbringen mittels einer Auftragsvorrichtung erfolgt, wobei nur der unmittelbar auftragende Teil erwärmt wird. Geeignet hierfür ist beispielsweise eine Art beheizbare Düse, welche nur den sie durchströmenden Teil der Elektrolytmischung temperiert. In Einzelfällen kann es auch bevorzugt sein, dass die bereitgestellte Elektrode temperiert wird. Schließlich könnte auch die zur Strukturierung verwendete Walze erhitzt werden.
In einem nachfolgenden Schritt wird die strukturierte Aktivmaterialzusammensetzung verfestigt, um so eine stabile Aktivmaterialschicht zu bilden. Dies kann beispielsweise durch Entfernung des Lösungsmittels, insbesondere durch Trocknung, geschehen. Sofern kein Lösungsmittel eingesetzt wurde, kann dies durch Abkühlen der Polymerelektrolythaltigen strukturierte Aktivmaterialzusammensetzung auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur T_g des Polymerelektrolyten geschehen.
Anschließend wird die strukturierte Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht mit einer Elektrolytzusammensetzung versehen. Diese umfasst mindestens einen Festelektrolyten. Optional kann darüber hinaus mindestens ein Lösungsmittel, mindestens ein Aktivmaterial, sowie ggf. Leitzusätze enthalten sein. Die Mengen der Bestandteile sind dabei so gewählt, dass die Zusammensetzung nicht mehr als 40 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrolytzusammensetzung ohne Lösungsmittel an Aktivmaterial umfasst. Beispielsweise umfasst die Zusammensetzung 70 Gew.-% Festelektrolyt und 30 Gew.-% Aktivmaterial. Die Elektrolytzusammensetzung kann durch jedes dem Fachmann bekannte Verfahren auf die Aktivmaterialschicht aufgebracht werden. hierzu zählen insbesondere Beschichtungsverfahren wie Tauchbeschichten, Walzenbeschichten, Sprühbeschichten, Rakelbeschichten, Fließbeschichten oder Rotationsbeschichten. Besonders geeignet ist das Walzenbeschichten, Sprühbeschichten und Rakelbeschichten. Darüber hinaus können Drucktechniken wie ein Tampondruckverfahren zur Anwendung kommen.
Die Elektrolytzusammensetzung wird so auf die strukturierte Oberfläche O(A) aufgebracht, dass die zuvor gebildeten Vertiefungen wenigstens teilweise mit der Elektrolytzusammensetzung aufgefüllt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Vertiefungen vollständig mit der Elektrolytzusammensetzung gefüllt. In einer weiteren Ausführungsform wird die Elektrolytzusammensetzung in einer Menge verwendet, sodass auch die nicht mit einer Vertiefung versehen Oberflächenanteile von einer Festelektrolytschicht, vorzugsweise von einer Dicke von 1 bis 50 µm, ausgehend von der Oberfläche O(A) der strukturieren Aktivmaterialschicht bedeckt ist.
Die Festelektrolytschicht kann anschließend verfestigt werden, indem die Schicht auf eine Temperatur unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur T_g abgekühlt wird und/oder ggf. enthaltenes Lösungsmittel durch Trockenen, z.B. bei reduziertem Druck und/oder erhöhter Temperatur entfernt wird.
Die erfindungsgemäße Elektrode kann vorteilhaft in einem elektrochemischen Energiespeichersystem verwendet werden. Bevorzugt ist das elektrochemische Energiespeichersystem eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen Batterie. Unter dem Begriff „Lithium-Ionen-Batterie” wird verstanden, dass Anode und Kathode aus Materialien bestehen, die mit Lithium-Ionen in einer elektrochemischen Reaktion möglichst reversibel (z. B. durch Bildung einer Interkalationsverbindung) reagieren können, wobei die Reversibilität deutlich ≥ 99%, besonders bevorzugt ≥ 99,98% oder ≥ 99,998%, und ein möglichst unterschiedliches elektrochemisches Potential gegenüber Lithium aufweisen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Elektrode zeichnet sich durch einen verbesserten Transport der Ladungsträger in die Aktivmaterialschicht, insbesondere in die tieferliegenden Bereiche der Aktivmaterialschicht aus. Dadurch können diese schneller und besser genutzt werden und alle Schichten der Aktivmaterialschicht sind homogener an der Energiespeicherung beteiligt. Dies erlaubt ein schnelleres Laden und Entladen der Batterie bei gleichzeitig hoher Energiedichte (volumetrisch und gravimetrisch) der Elektrode und damit der Batterie. Damit ist es möglich, Aktivmaterialschichten mit einer größeren Schichtdicke zu nutzen und so den Anteil an Aktivmaterial in der Batterie zu erhöhen. Die resultierende homogenere Stromdichteverteilung innerhalb der Elektrodenschicht wirkt sich zudem positiv auf die Alterung der Elektrode aus.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
1a eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen strukturierten Elektrode in der Seitenansicht;
1b eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode mit Mehrschichtaufbau in der Seitenansicht;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer strukturierten Aktivmaterialschicht;
3 eine schematische Seitenansicht auf eine Elektrodenvorläuferschicht vor dem Schritt des Walzens in der Walzanlage gemäß 1;
4 eine schematische Seitenansicht auf die Schicht aus 2 nach dem Walzen bzw. während des Walzens.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode 10 ist in 1a dargestellt. Als Grundlage der Elektrode 10 dient ein Stromsammler 20, der vorliegend beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer gefertigt ist. Auf einer Oberfläche O(S) des Stromsammlers 20 ist eine Aktivmaterialschicht 30 aufgebracht, welche Partikel von Aktivmaterial 50 umfasst. Die Schicht umfasst ferner vorliegend als Festelektrolyt 41 einen Polymerelektrolyt, welcher gleichzeigt als Bindemittel dient. Die Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht 30 weist regelmäßige Vertiefungen 60 auf. Die Vertiefungen 60 können prinzipiell jede beliebige Form aufweisen. Vorliegend sind sie konisch geformt. Die Vertiefungen 60 sind mit einer Festelektrolytschicht 40 ausgefüllt. Diese umfasst vorliegend neben dem Festelektrolyt 41, welcher aus einem geeigneten Polymer, z.B. PEO, und einem Leitsalz, z.B. LiPF₆ besteht, vorliegend bis zu 15 Gew.-% elektrisch angebundene Partikel von Aktivmaterial 50.
1b zeigt als alternative Ausführungsform der Erfindung eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode 10 gemäß 1a umfassend einen Stromsammler 20, eine Aktivmaterialschicht 30, umfassend die Partikel von Aktivmaterial 50, sowie drei Festelektrolytschichten 40, 42 und 44, welche vorliegend jeweils einen Festelektrolyt 41 und Partikel von Aktivmaterial 50 umfassend und vertikal wiederholte Vertiefungen 60 aufweisen. Die Festelektrolytschichten 40, 42, 44 unterscheiden sich durch den Gehalt an Aktivmaterial 50 in den Festelektrolytschichten 40, 42, 44 voneinander. Vorzugsweise steigt dieser Anteil an Aktivmaterial mit zunehmender Nähe zur Aktivmaterialschicht 30, sodass ein Aktivmaterialgradient ausgebildet wird. Die Festelektrolytschichten 40, 42, 44 können sich alternativ oder zusätzlich dazu auch in der Art und Beschaffenheit, insbesondere der chemischen Zusammensetzung und der Partikelgröße, ihrer Bestandteile, d.h. der Auswahl des jeweiligen Festelektrolyten 41 und der jeweiligen Partikel des Aktivmaterials 50, unterscheiden.
2 zeigt eine sehr schematische Aufsicht etwa von oben rechts auf eine Walzanlage zur Herstellung einer Elektrode 10 gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung. Dabei wird eine Elektrodenvorläuferschicht 11 durch zwei strukturierte Walzen 70, 71 (die Strukturierung der Walzen ist in der Vergrößerung zu sehen und mit 80 bezeichnet) mit Vertiefungen 60 versehen. Die sich daraus ergebende Strukturierung der Elektrodenvorläuferschicht 11 ist in der zweiten Vergrößerung zu sehen und mit 90 gekennzeichnet.
3 zeigt eine sehr schematische Seitenansicht auf eine Elektrodenvorläuferschicht 11 vor dem Schritt des Walzens in der Walzanlage gemäß 2. Die Elektrodenvorläuferschicht 11 umfasst dabei den Stromsammler 20 sowie Partikel des Aktivmaterials 50, die von einem Lösungsmittel umgeben sind. In einer Ausführungsform sind die Partikel des Aktivmaterials 50 in der Elektrodenvorläuferschicht 11 von einem Festelektrolyt 41 und/oder einem Lösungsmittel umgeben.
In 4 ist zu sehen, wie die Vertiefungen 60 in die Aktivmaterialschicht 30 eingebracht werden. Dazu dreht sich die strukturierte Walze 70 in die mit dem Pfeil angegebene Richtung, wodurch mittels der Strukturierung 80, die einfach aus einer Vielzahl von Dornen 81 besteht, Vertiefungen 60 in die Aktivmaterialschicht 30 eingebracht werden. Statt der Dornen 81 können ebenso z.B. pyramidale Strukturierungen oder Rillen mit Hilfe eines feststehenden Strukturrakels in die Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht 30 eingebracht werden. Die erhaltene strukturierte Aktivmaterialschicht 30 wird anschließend durch ein Beschichtungsverfahren mit einer Elektrolytzusammensetzung, umfassend mindestens einen Festelektrolyten 41, beschichtet, welche die Festelektrolytschicht 40 auf der Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht 30 bildet, um so die in 1a dargestellte Elektrode zu erhalten.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 103730630 A [0003]
DE 102012215921 A1 [0004]

Claims

Schichtförmige Elektrode (10), umfassend mindestens einen Stromsammler (20), mindestens eine Aktivmaterialschicht (30) und mindestens eine Festelektrolytschicht (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivmaterialschicht (30) auf mindestens einer Oberfläche O(S) des Stromsammlers (20) angeordnet ist und Vertiefungen (60) auf der von dem Stromsammler (20) abgewandten Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht (30) ausgebildet sind, wobei eine Festelektrolytschicht (40) derart auf der mit den Vertiefungen (60) versehenen Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht (30) angeordnet ist, sodass die Vertiefungen (60) wenigstens teilweise mit der Festelektrolytschicht (40) ausgefüllt sind.
Schichtförmige Elektrode (10) nach Anspruch 1, wobei die Aktivmaterialschicht (30) mindestens einen Polymerelektrolyten umfasst.
Schichtförmige Elektrode (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Festelektrolytschicht (40) mindestens einen Polymerelektrolyten umfasst.
Schichtförmige Elektrode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Festelektrolytschicht (40) mindestens ein Aktivmaterial 50 umfasst.
Schichtförmige Elektrode (10) nach Anspruch 4, wobei der Anteil an Aktivmaterial (50) in der Festelektrolytschicht (40) geringer ist als in der Aktivmaterialschicht (30).
Schichtförmige Elektrode (10) nach Anspruch 5, wobei der Anteil an Aktivmaterial (50) in der Aktivmaterialschicht (30) mindestens 60 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterialschicht (30) ausmacht und der Anteil an Aktivmaterial (50) in der Festelektrolytschicht (40) höchstens 50 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Festelektrolytschicht (40) ausmacht.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (10), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Stromsammlers (20); b) Aufbringen einer Aktivmaterialzusammensetzung, umfassend mindestens ein Aktivmaterial (50), auf mindestens einen Teil einer Oberfläche O(T) eines Trägermaterials T, um so eine Aktivmaterialschicht (30) zu erhalten; c) Strukturierung der Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht (30), sodass sich in regelmäßigen Abständen Vertiefungen (60) in der Aktivmaterialschicht (30) ergeben, um so eine strukturierte Aktivmaterialschicht (30) zu erhalten; d) Aufbringen einer Elektrolytzusammensetzung, umfassend mindestens einen Festelektrolyten (41), auf mindestens einen Teil der Oberfläche O(A) der strukturierten Aktivmaterialschicht (30), sodass die Vertiefungen (60) in der strukturierten Aktivmaterialschicht (30) mindestens teilweise mit der Elektrolytzusammensetzung ausgefüllt werden, um so eine Festelektrolytschicht (40) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Elektrolytzusammensetzung eine höhere Ionenleitfähigkeit aufweist als die Aktivmaterialzusammensetzung.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Oberfläche O(T) eines Trägermaterials die Oberfläche O(S) eines Stromsammlers (20) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Strukturierung der Oberfläche O(A) der Aktivmaterialschicht (30) durch Aufpressen einer strukturierten Walze (70, 71) erzielt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Aktivmaterialschicht (30) nach dem Strukturierungsschritt c) verfestigt wird, bevor die Festelektrolytschicht (40) aufgebracht wird.
Verwendung einer Elektrode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Elektrode (10) in einem elektrochemischen Energiespeichersystem.
Lithium-Ionen-Batterie, umfassend mindestens eine Elektrode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.