DE102016217600A1 - Structured electrode and method of making the same - Google Patents

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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.The invention relates to a layered electrode (10), comprising at least one current collector (20), at least one active material layer (30) and at least one solid electrolyte layer (40), characterized in that the active material layer (30) on at least one surface O (S) of Current collector (20) is arranged and recesses (60) on the side facing away from the current collector (20) surface O (A) of the active material layer (30) are formed, wherein a solid electrolyte layer (40) on the surface provided with the recesses (60) O (A) of the active material layer (30) is arranged so that the recesses (60) are at least partially filled with the solid electrolyte layer (40). Furthermore, a method for producing the electrode (10) and its use is disclosed.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine strukturierte, schichtförmige Elektrode, ein Verfahren zur Herstellung derselben sowie deren Verwendung in elektrochemischen Energiespeichersystemen.The invention relates to a structured, layered electrode, a method for producing the same and their use in electrochemical energy storage systems.

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.Conventional electrochemical energy storage systems such as batteries, supercapacitors or hybrid supercapacitors include energy storage cells with porous layered electrodes. These electrodes comprise a particulate active material (also referred to as electrode active material) deposited on an electrically conductive material which acts as a current collector. The layer thickness of the active material layer is usually in a range of about 10 .mu.m to 150 .mu.m. The maximum layer thickness is essentially limited by the effective ionic conductivity and diffusivity of the electrolyte in the pore system of the electrode. For the highest possible energy density of the electrode and thus also the battery cell, however, the largest possible ratio of the layer thickness of the active material layer to the layer thickness of the electrically conductive material of the current collector is advantageous.

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. CN 103730630 A discloses an electrode for an energy store comprising an active material, wherein the active material is uniformly embedded in a three-dimensional carbon nanotube and surrounded by a polymer electrolyte layer.

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. DE 10 2012 215 921 A1 proposes a battery having an active material layer into which pits have been introduced to enhance ion transport also into the deeper layers near the current collector, thus allowing for greater layer thickness while reducing overall porosity. A disadvantage of this solution, however, is that the stability of the same is reduced by the multiplicity of depressions in the active material layer. This can make it easier to break the active material layer. In addition, the disclosure is limited to the use of the same electrolyte in the active material layer and the introduced wells and does not include the possibility of the presence of lower volume active material particles in the wells as well.

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. Thus, there is a need to improve on existing batteries with layered electrodes in this regard. It is therefore the object of the present invention to provide an improved electrode for electrochemical energy storage systems. This object is achieved by the invention described below.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.The invention relates to a layered electrode, comprising at least one current collector, at least one active material layer and at least one solid electrolyte layer, characterized in that the active material layer is disposed on at least one surface O (S) of the current collector and depressions on the surface facing away from the current collector surface O (A ) of the active material layer are formed, wherein a solid electrolyte layer is disposed on the recessed surface O (A) of the active material layer so that the recesses are at least partially filled with the solid electrolyte layer.

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.The term "depression" in the sense of the present invention is understood in particular as hole-like or lattice-like structures. In particular, these have an aspect ratio of "depth" (in the thickness direction of the electrode) to maximum lateral extent (in the electrode plane), in particular, aspect ratios of 1: 1 or greater, particularly preferably 2: 1 or greater, in particular in one Range of ≥ 4: 1 to ≤ 5: 1, proved to be advantageous in the context of the present invention.

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.The term "porous" in the sense of the present invention is understood in particular to mean that cavities exist between the active material particles which are filled with electrolyte, in particular solid electrolyte, and serve to provide the ionic conductivity and diffusivity within the electrode. For the purposes of this invention, the porosity within the electrode is not homogeneously distributed, but partially introduced selectively by directed depressions in the electrode.

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. The term "layered" in the sense of the present invention is understood in particular to mean that the electrode has a three-dimensional structure such that the maximum extent in one of the spatial directions is equal to or less than 20%, preferably equal to or less than 10% of the average of the maximum extent in the other two spatial directions.

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.The term "electrode" refers to the negative electrode (anode) and / or positive electrode (cathode) of an electrochemical energy storage system, in particular a battery. Of course, according to a preferred embodiment of the battery, both the anode and the cathode according to the present invention may be provided with recesses.

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. The term "electrochemical energy storage system" within the meaning of the present In particular, an application is understood to mean a device which takes place through the serial and / or parallel connection of electrochemical cells. These electrochemical cells in turn consist of a positive and a negative electrode, whose electrochemical potential is different and which are connected via an ion-conducting electrolyte, but separated by an electrically insulating separator. The resulting separation of electron and ion flux can be used as energy storage. Examples of such electrochemical energy storage systems are batteries, in particular lithium-containing batteries such as lithium-ion batteries and hybrid supercapacitors.

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. For the purposes of the present invention, the term "current collector" is understood in particular to mean that the electrode coating is applied to a thin metal sheet, typically made of aluminum or copper, which serves as a support structure for the electrode and for the collection of the current. This can also be configured very thin in the form of a metal foil.

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. The active material layer according to the invention comprises at least one active material. Suitable anode active materials are known to those skilled in the art. In particular, carbon or silicon based anodes capable of forming lithium ion alloying or intercalating compounds are preferred anode active materials. Examples are anodes comprising graphite or mono- or polycrystalline silicon or amorphous silicon.

Das positive Aktivmaterial kann ein zusammengesetztes Oxid umfassen, welches mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Magnesium, Nickel, sowie Lithium, enthält. 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.

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.One embodiment of the present invention includes a cathode active material comprising a compound of the formula LiMO 2 wherein M is selected from Co, Ni, Mn or mixtures thereof and mixtures thereof with Al. In particular, LiCoO 2 should be mentioned.

In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kathodenaktivmaterial um ein Material, welches Nickel umfasst, d.h. LiNi1-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. LiNi0,8Co0,15Al0,05O2; NCA) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Kathoden (z.B. LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 (NMC (811)), LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2 (NMC (111)), LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2 (NMC (622)), LiNi0,5Mn0,3Co0,2O2 (NMC (532)) oder LiNi0,4Mn0,3Co0,3O2 (NMC (433)).In a preferred embodiment, the cathode active material is a material comprising nickel, ie LiNi 1 -x M ' x O 2 , where M' is selected from one or more of the elements Co, Mn and Al and 0 ≤ x < 1 is. Examples include lithium nickel cobalt aluminum oxide cathodes (eg, LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 ; NCA) and lithium nickel manganese cobalt oxide cathodes (eg, LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 (NMC (811)), LiNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2 (NMC (111)), LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 (NMC (622)), LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 (NMC (532)) or LiNi 0.4 Mn 0.3 Co 0.3 O 2 (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.Further, as preferred positive active materials, mention may be made of overithiated oxides which are known to the person skilled in the art. Examples of these are layer oxides of the general formula n (Li 2 MnO 3 ): 1-n (LiMO 2 ) with M = Co, Ni, Mn, Cr and 0 ≦ n ≦ 1 and spinels of the general formula n (Li 2 MnO 3 ) : 1 - n (LiM 2 O 4 ) with M = Co, Ni, Mn, Cr and 0 ≤ n ≤ 1.

Ferner sind insbesondere Spinellverbindungen der Formel LiMxMn2-xO4 mit M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe (z.B. LiMn2O4, LiNi0.5Mn1.5O4), 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, Li1.17Ni0.17Co0.1Mn0.56O2 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.Furthermore, in particular spinel compounds of the formula LiM x Mn 2-x O 4 with M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe (eg LiMn 2 O 4 , LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ), olivine compounds of the formula LiMPO 4 with M = Mn , Ni, Co, Cu, Cr, Fe (eg LiFePO 4 , LiMnPO 4 ), silicate compounds of the formula Li 2 MSiO 4 with M = Ni, Co, Cu, Cr, Fe, Mn (eg Li 2 FeSiO 4 ), tavorite compounds ( eg LiVPO 4 F), Li 2 MnO 3 , Li 1.17 Ni 0.17 Co 0.1 Mn 0.56 O 2 and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 as suitable positive active materials. Furthermore, conversion materials such as SPAN (polyacrylonitrile, which has been reacted with an excess of sulfur at elevated temperature in the range 300 ° C-500 ° C and thereby formed sulfur side chains and bridges), iron fluoride (FeF 3 ) or iron oxyfluorides ( FeOF) suitable active materials.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bindemittel in der Aktivmaterialschicht ein Festelektrolyt, insbesondere ein Polymerelektrolyt.In a preferred embodiment, the binder in the active material layer is a solid electrolyte, in particular a polymer electrolyte.

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 Li1+xZr2SixP3-xO12 mit 0 < x < 3 bzw. Li2+2xZn1-xGeO4 mit 0 < x < 1), sulfidische Gläser wie z.B. LSPS, Granatstrukturen wie z.B. LLTO (Li3xLa2/3-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.Solid electrolytes in the context of this invention are solids which have ionic conductivity for at least one ion species. Examples of suitable solid electrolytes include LiTiCoO 4 , Li 2 PO 2 N, Li 4 Ti 5 O 12 , NASICON or LISICON type compounds (eg compounds of the general formulas Li 1 + x Zr 2 Si x P 3 -x O 12 with 0 <x <3 or Li 2 + 2x Zn 1-x GeO 4 with 0 <x <1), sulfidic glasses such as LSPS, garnet structures such as LLTO (Li 3x La 2/3-x TiO 3 with x = 0, 1) or LLZO (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) and polymer electrolytes. The solid electrolyte may be equal to the solid electrolyte of the solid electrolyte layer, or be different from this.

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 a preferred embodiment, the solid electrolyte is a polymer electrolyte. Suitable polymer electrolytes include at least one polymer and at least one conducting salt. Suitable polymers are polyalkylene oxides, e.g. Polyethylene oxide (PEO) and polypropylene oxide (PPO), polyacrylates, e.g. Poly [2- (2-methoxyethoxyethyl glycidyl ether)] (PMEEGE), polyphosphazenes, polysiloxanes, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-co-polyhexafluoropropylene (PVDF-HFP), polyacrylonitrile (PAN) and styrene-butadiene copolymers (SBR).

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. In one embodiment, suitable polymer electrolytes include copolymers of alkylene oxides and acrylates, phosphazenes, or siloxanes, with an acrylate, phosphazene, or siloxane polymer chain as the backbone, which may be present as a backbone Polyalkylene chains substituted as side chains. In addition, the polymer electrolyte may also comprise mixtures of the aforementioned polymers.

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. Furthermore, the polymer electrolyte comprises at least one conductive salt. This is in particular an alkali metal salt. Particularly preferred are sodium and lithium salts, in particular lithium salts. Suitable examples of such lithium conductive salts include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), LiSbF 6 , LiAsF 6 , Li (CF 3 ) SO 2 NSO 2 (CF 3 ) (LiTFSI), LiClO 4 , lithium bis (oxalato) borate (Li [B (C 2 O 4 ) 2 ], LiBOB) and lithium difluoro (oxalato) borate (Li [BF 2 (C 2 O 4 )], LiDFOB). These can each be used individually or in combination with each other. Preferably, the at least one conductive salt accounts for a proportion of 1 to 5 wt .-%, in particular 2 to 3 wt .-% of the total weight of the polymer electrolyte layer.

Die Aktivmaterialschicht umfasst mindestens 60 Gew.-% an Aktivmaterial, insbesondere mindestens 70 Gew.-%, vorzugsweise 75 bis 90 Gew.-%. The active material layer comprises at least 60% by weight of active material, in particular at least 70% by weight, preferably 75 to 90% by weight.

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. As further constituents, the active material layer may optionally comprise binders such as polyacrylic acid (PAA), carboxymethylcellulose (CMC), styrene-butadiene copolymer (SBR), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethene (PTFE) and ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), to increase the stability of the electrodes. Furthermore, conductive additives such as Leitruß or graphite may be included.

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. In a further embodiment, the active material layer consists essentially of the active material, and optionally conductive additives and binders. That is, the active material layer in this embodiment is substantially free of solid electrolyte.

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).For the purposes of this invention, the term "essentially" means greater than or equal to 95% (wt.%, If applicable), preferably greater than or equal to 97% (wt.%, If applicable), furthermore preferably greater than or equal to 98% ( Wt%, if applicable), and most preferably greater than or equal to 99% (wt%, if applicable).

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.The current collector is, as already mentioned, flat as a metal sheet and includes an electronically conductive material. The current collector typically consists of copper or aluminum, which is preferably very thin in the form of a metal foil with a thickness of <300 μm, in particular in a range of 5 to 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.The electrode according to the invention is characterized in that depressions are formed on the surface O (A) of the active material layer facing away from the current collector. According to a preferred embodiment of the invention, the average diameter of the recesses is ≥ 1 μm to ≤ 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).In this case, when the recesses comprise a lattice structure or a lattice-like structure, "diameter" means the cross-sectional area-equivalent diameter of the cross-sectional area perpendicular to the direction of the lattice (= diameter of a circular area of the same cross-section).

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.This diameter has been found to be particularly preferred since the advantages according to the invention can be achieved in an excellent manner in many applications without the proportion of active material in the electrode coating being excessively reduced.

Bevorzugt beträgt der durchschnittliche Durchmesser der Vertiefungen von ≥ 20 μm bis ≤ 100 μm, stärker bevorzugt ≥ 40 μm bis ≤ 70 μm.The average diameter of the depressions is preferably from ≥ 20 μm to ≦ 100 μm, more preferably ≥ 40 μm to ≦ 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.The depressions preferably extend on average to ≥ 50% of the layer thickness of the active material layer. As a result, good ionic conductivity within the active material layer can be achieved in most applications. Even more preferably, the recesses extend on average to ≥ 80% of the layer thickness of the active material layer, further preferably to ≥ 90% of the layer thickness of the active material layer. Too much reduction of the amount of active material adversely affects the energy density of the electrode. In order not to reduce these unnecessarily, the depressions extend, on average, to ≦ 98% of the layer thickness of the active material layer, in particular to ≦ 95% of the layer thickness of the active material layer.

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.Preferably, the average cross section of the majority of the depressions decreases in the direction of the electrode sheet. In particular, this ensures a uniform supply of the electrode with reacting or intercalating ion species (eg Li + in the case of lithium accumulators) while minimizing the required pore volume, since the ion current density in the electrode in the direction of the electrode sheet decreases and likewise the electron current density increases.

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).For the purposes of this invention, the term "predominantly" means greater than or equal to 80% (wt.%, If applicable), preferably greater than or equal to 90% (wt.%, If applicable), furthermore preferably greater than or equal to 95% (wt %, if applicable), and most preferably greater than or equal to 98% (weight%, if applicable).

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. In a preferred embodiment, the recesses have a conical or pyramidal shape, which optionally also in a variety can be formed by stages. In an alternative embodiment, the depressions are formed in the form of grooves.

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.Preferably, the average distance between two recesses is greater than or equal to 0.1 times to less than or equal to 5 times the average diameter of the recesses, preferably from greater than or equal to 0.3 times to less than or equal to 3 times , in particular from greater than or equal to 0.5 times to less than or equal to 2 times the average diameter of the recesses, measured from the edge of the respective recess.

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.Preferably, the area fraction of depressions on the surface of the electrode facing away from the current collector is from ≥ 10% to ≦ 90%. This has proven to be particularly preferred since the advantages according to the invention can thus be achieved in an outstanding manner in many applications without the stability of the active material layer being impaired.

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%.Even more preferably, the area ratio of pits on the electrode sheet side of the electrode is from ≥ 20% to ≦ 80%, and most preferably from ≥ 30% to ≦ 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. The electrode according to the invention further comprises at least one solid electrolyte layer which is arranged on the surface O (A) of the active material layer facing away from the current collector. The at least one solid electrolyte layer comprises an electrolyte composition which at least partially, preferably completely, fills the depressions. In a preferred embodiment, the parts of the surface facing away from the current collector surface O (A) of the active material layer having no recesses is at least partially covered with the at least one solid electrolyte layer. The layer thickness of the at least one solid electrolyte layer is thus at its thinnest point preferably at least 1 .mu.m, preferably at least 10 .mu.m in particular 15 to 50 microns.

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.The electrolyte composition comprises at least one solid electrolyte and optionally at least one conducting salt. Suitable solid electrolytes and conductive salts are those already mentioned above in the context of the constituents of the active material layer. In a preferred embodiment, the solid electrolytes of the electrolyte composition or of the solid electrolyte layer and the solid electrolytes optionally contained in the active material layer are identical.

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.In a further preferred embodiment, the solid electrolyte layer comprises at least one active material. This may be equal to or different from the active material of the active material layer of the electrode.

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.The active material particles in the solid electrolyte layer may differ in particular in their volume and / or their shape from the active material particles in the active material layer. Preferably, the active material particles in the solid electrolyte layer have a larger volume than the active material particles in the active material layer. For the electrical connection of the active material particles, in particular with a small proportion of active material in the at least one solid electrolyte layer, the active material layer and / or the at least one solid electrolyte layer may contain conductive additives, such as e.g. Carbon black, include.

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.The proportion of active material in the solid electrolyte layer is less than in the active material layer to ensure better ion transport through the remaining, correspondingly higher proportion of solid electrolyte than in the active material layer. As a rule, the solid electrolyte layer does not comprise more than 50% by weight, based on the total weight of the solid electrolyte layer, of active material. Preferably, the proportion of active material in the solid electrolyte layer is not more than 40 wt .-%, in particular, the proportion is in a range of 0 to 30 wt .-%, for example in a range of 2 to 20 wt .-%, based on the Total weight of the solid electrolyte layer. It is thereby achieved that the regions of low active material content have improved ion transport properties and thus enable the rapid transport of the charge carriers into deeper regions of the active material layer near the current collector.

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. An embodiment relates, for example, to a layered electrode in which the proportion of active material in the active material layer is at least 60% by weight based on the total weight of the active material layer and the proportion of active material in the solid electrolyte layer is at most 50% by weight based on the total weight of the solid electrolyte layer accounts.

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. Another embodiment relates to a layered electrode comprising a current collector, an active material layer applied to the current collector, and a plurality of solid electrolyte layers each having vertically repeated, identically shaped recesses. Preferably, such an electrode comprises at least two solid electrolyte layers F1, F2 and preferably not more than ten, in particular not more than five solid electrolyte layers. The solid electrolyte layers are arranged one above the other flatly. The solid electrolyte layers differ, for example, in the type and / or amount of the solid electrolyte, in the type and / or amount of the active material contained and / or or in the nature and / or amount of the added Leitzusatzes from each other.

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 a preferred embodiment, the individual solid electrolyte layers differ from each other in that the proportion of active material in the respective solid electrolyte layer F1, F2, etc. decreases with increasing distance of the solid electrolyte layer from the active material layer. In a further embodiment, the proportion of conductive additive in the respective solid electrolyte layer F1, F2, etc. increases with increasing distance from the active material layer. Both embodiments can be used alone or in combination with each other. For example, the proportion of active material in the first solid electrolyte layer F1 applied directly on the surface of the active material layer is larger than the proportion of active material in the second solid electrolyte layer F2 deposited on the surface of the first solid electrolyte layer F1. In return, or alternatively, the content of conductive additive in the first solid electrolyte layer F1 is lower than in the respective subsequent solid electrolyte layer.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind dabei die in der Aktivmaterialschicht und den Festelektrolytschichten verwendeten Festelektrolyte sowie die Aktivmaterialien jeweils identisch.In a preferred embodiment, the solid electrolytes used in the active material layer and the solid electrolyte layers and the active materials are identical in each case.

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.
The invention also relates to a method for producing a structured, layered electrode, comprising the steps:
  • a) providing a current collector;
  • b) applying an active material composition comprising at least one active material to at least a part of a surface O (T) of a carrier material T so as to obtain an active material layer;
  • c) structuring the surface O (A) of the active material layer such that recesses are formed in the active material layer at regular intervals so as to obtain a structured active material layer;
  • d) applying an electrolyte composition comprising at least one solid electrolyte on at least part of the surface O (A) of the structured active material layer such that the recesses in the structured active material layer are at least partially filled with the electrolyte composition so as to obtain a solid electrolyte layer.

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.
The invention also relates to a method for producing a structured multilayer electrode, comprising the steps:
  • a) providing a current collector;
  • b) applying an active material composition comprising at least one active material to at least a portion of a surface O (T) of a support material so as to obtain an active material layer;
  • c) structuring the surface O (A) of the active material layer such that recesses are formed in the active material layer at regular intervals so as to obtain a structured active material layer;
  • d) applying a first electrolyte composition, comprising at least one solid electrolyte, to at least a portion of the surface O (A) of the structured active material layer such that the recesses in the structured active material layer are at least partially filled with the electrolyte composition so as to obtain a first solid electrolyte layer F1.
  • e) patterning the surface O (F1) of the first solid electrolyte layer F1 such that pits are formed in the first solid electrolyte layer F1 at regular intervals so as to obtain a patterned first solid electrolyte layer F1;
  • f) applying a second electrolyte composition, comprising at least one solid electrolyte, to at least part of the surface O (F1) of the structured first solid electrolyte layer F1 such that the recesses in the structured first solid electrolyte layer F1 are at least partially filled with the second electrolyte composition, thus forming a second To obtain solid electrolyte layer F2.
  • g) If necessary, repeating the process steps e) and f) until the desired number of solid electrolyte layers F are applied.

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. The individual electrolyte compositions from which the solid electrolyte layers F1, F2, etc. are formed differ, for example, in the type and / or amount of the solid electrolyte, in the type and / or amount of the active material contained and / or in the type and / or amount of the added Leitzusatzes from each other.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Vertiefungen auf der Oberfläche der strukturierten Aktivmaterialschicht und auf den Oberflächen der Festelektrolytschichten jeweils dieselbe Form auf. In a preferred embodiment, the depressions on the surface of the structured active material layer and on the surfaces of the solid electrolyte layers each have the same shape.

Hinsichtlich der einzelnen Bestandteile, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden, gelten, sofern nachfolgend nichts Anderslautendes erwähnt wird, die zuvor gemachten Definitionen und Erläuterungen.With regard to the individual constituents which are used in the method according to the invention, unless otherwise stated below, the definitions and explanations given above apply.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Elektrolytzusammensetzung eine höhere effektive Ionenleitfähigkeit sowie eine höhere effektive Ionendiffusivität auf als die Aktivmaterialzusammensetzung. In a preferred embodiment, the electrolyte composition has a higher effective ionic conductivity as well as a higher effective ionic diffusivity than the active material composition.

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-C1-6-Alkylrpyrrolidone, insbesondere N-Methylpyrrolidon und N-Ethylpyrrolidon. The active material composition optionally comprises, in addition to the active material, conductive additives, binders and / or polymer electrolytes. In addition, the active material composition may include at least one solvent. Suitable solvents are NC 1-6 -alkylrpyrrolidone, in particular N-methylpyrrolidone and N-ethylpyrrolidone.

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.The active material composition comprises, for example, 80 to 95% by weight of active material, 1 to 5% by weight of conductive additives, 1 to 5% by weight of binder and 5 to 10% by weight of solvent. The composition thus forms a paste that is easy to process. It can be applied to the surface O (T) of a carrier material T and structured. In a preferred embodiment, this is the surface O (S) of a current collector. The structured layer retains the shape given in the structuring step.

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 Tg 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. In another embodiment, the active material composition comprises a polymer electrolyte. Preferably, the active material composition does not comprise any solvents if a polymer electrolyte is used. The binders are usually not necessary in this case. For example, the active material composition comprises 80 to 95% by weight, in particular 85 to 95% by weight of active material and 5 to 20% by weight, in particular 5 to 15% by weight of polymer electrolyte, based on the total weight of the active material composition. The composition may further comprise 0 to 5 wt .-%, in particular 1 to 2 wt .-% of a conductive additive, eg Leitruß include. The active material composition thus forms a solid which becomes moldable and processable upon reaching the glass transition temperature T g of the polymer electrolyte. It can be applied to the surface O (T) of a carrier material or the surface O (S) of a current collector and structured. The structured layer retains the shape given in the structuring step.

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. The structuring of the surface O (A) of the active material layer can be carried out by any method known to the person skilled in the art, for example using a press, a stamp, a structural doctor blade or a structured roller.

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. In view of the preferred implementation in a continuous manufacturing process, a structured roll is preferably used. This has been found to be particularly useful, since in most applications in the manufacture of the electrodes, a rolling step is already provided and so the electrode of the invention can be prepared by simply replacing the roller.

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.The tool used has on the surface a negative of the desired target structure of the surface O (A) of the structured active material layer. This means that the tool has elevations in the form of pyramids, cones, etc. on its surface.

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 particular, in the case of using polymer electrolytes, it is preferable that the electrolytic composition has a temperature above the glass transition temperature Tg when structuring. By heating, the viscosity of the electrolyte composition can be modified. For this purpose, for example, the provided electrolyte composition can be heated to the desired temperature before application, for example with the aid of a water bath. However, it is also conceivable that the application takes place by means of an applicator device, wherein only the directly applied part is heated. Suitable for this purpose is, for example, a type of heatable nozzle, which tempered only the part of the electrolyte mixture flowing through it. In individual cases, it may also be preferred that the electrode provided is tempered. Finally, the roller used for structuring could also be heated.

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 Tg des Polymerelektrolyten geschehen. In a subsequent step, the structured active material composition is solidified to form a stable active material layer. This can be done, for example, by removal of the solvent, in particular by drying. If no solvent has been used, this can be done by cooling the polymer electrolyte-containing structured active material composition to a temperature below the glass transition temperature T g of the polymer electrolyte.

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. Subsequently, the structured surface O (A) of the active material layer is provided with an electrolyte composition. This comprises at least one solid electrolyte. Optionally, moreover, at least one solvent, at least one active material, and optionally conductive additives may be included. The amounts of the ingredients are chosen so that the composition comprises not more than 40 wt .-% based on the total weight of the electrolyte composition without solvent of active material. For example, the composition comprises 70% by weight of solid electrolyte and 30% by weight of active material. The electrolyte composition may be applied to the active material layer by any method known to those skilled in the art. These include, in particular, coating methods such as dip coating, roll coating, spray coating, knife coating, flow coating or spin coating. Roll coating, spray coating and knife coating are particularly suitable. In addition, you can Printing techniques such as a pad printing process are used.

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. The electrolyte composition is applied to the structured surface O (A) such that the previously formed depressions are at least partially filled with the electrolyte composition. In a preferred embodiment, the wells are completely filled with the electrolyte composition. In a further embodiment, the electrolyte composition is used in an amount such that also the non-recessed surface portions of a solid electrolyte layer, preferably of a thickness of 1 to 50 microns, from the surface O (A) of the structured active material layer is covered.

Die Festelektrolytschicht kann anschließend verfestigt werden, indem die Schicht auf eine Temperatur unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur Tg abgekühlt wird und/oder ggf. enthaltenes Lösungsmittel durch Trockenen, z.B. bei reduziertem Druck und/oder erhöhter Temperatur entfernt wird. The solid electrolyte layer can then be solidified by the layer is cooled to a temperature below its glass transition temperature T g and / or optionally contained solvent is removed by drying, for example at reduced pressure and / or elevated temperature.

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. The electrode according to the invention can advantageously be used in an electrochemical energy storage system. The electrochemical energy storage system is preferably a battery, in particular a lithium-ion battery. The term "lithium-ion battery" is understood to mean that the anode and cathode consist of materials which can react as reversibly as possible with lithium ions in an electrochemical reaction (for example by forming an intercalation compound), the reversibility being clearly ≥ 99%, particularly preferably ≥ 99.98% or ≥ 99.998%, and have a very different electrochemical potential compared to lithium.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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.The electrode according to the invention is distinguished by an improved transport of the charge carriers into the active material layer, in particular into the deeper regions of the active material layer. This allows them to be used faster and better, and all layers of the active material layer are more homogeneously involved in energy storage. This allows a faster charging and discharging of the battery with high energy density (volumetric and gravimetric) of the electrode and thus the battery. This makes it possible to use active material layers with a greater layer thickness and thus to increase the proportion of active material in the battery. The resulting more homogeneous current density distribution within the electrode layer also has a positive effect on the aging of the electrode.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.

Es zeigt:It shows:

1a eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen strukturierten Elektrode in der Seitenansicht; 1a a schematic representation of a structured electrode according to the invention in side view;

1b eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode mit Mehrschichtaufbau in der Seitenansicht; 1b a schematic representation of an alternative embodiment of an electrode according to the invention with a multi-layer structure in the side view;

2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer strukturierten Aktivmaterialschicht; 2 a schematic representation of an apparatus for producing a structured active material layer;

3 eine schematische Seitenansicht auf eine Elektrodenvorläuferschicht vor dem Schritt des Walzens in der Walzanlage gemäß 1; 3 a schematic side view of an electrode precursor layer before the step of rolling in the rolling mill according to 1 ;

4 eine schematische Seitenansicht auf die Schicht aus 2 nach dem Walzen bzw. während des Walzens. 4 a schematic side view of the layer 2 after rolling or during rolling.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

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.A schematic representation of an electrode according to the invention 10 is in 1a shown. As the basis of the electrode 10 serves a current collector 20 , which in the present case is made of aluminum or copper, for example. On a surface O (S) of the current collector 20 is an active material layer 30 applied, which particles of active material 50 includes. The layer further comprises in the present case as a solid electrolyte 41 a polymer electrolyte which is the same as a binder. The surface O (A) of the active material layer 30 has regular pits 60 on. The wells 60 can in principle have any shape. In the present case, they are conically shaped. The wells 60 are with a solid electrolyte layer 40 filled. This includes in the present case in addition to the solid electrolyte 41 which consists of a suitable polymer, for example PEO, and a conductive salt, for example LiPF 6 , in the present case up to 15% by weight of electrically bound particles of active material 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. 1b shows as an alternative embodiment of the invention is a schematic representation of an electrode according to the invention 10 according to 1a comprising a current collector 20 , an active material layer 30 comprising the particles of active material 50 , as well as three solid electrolyte layers 40 . 42 and 44 , Which in each case a solid electrolyte 41 and particles of active material 50 comprehensive and vertically repeated depressions 60 exhibit. The solid electrolyte layers 40 . 42 . 44 differ by the content of active material 50 in the solid electrolyte layers 40 . 42 . 44 from each other. Preferably, this proportion of active material increases with increasing proximity to the active material layer 30 so that an active material gradient is formed. The solid electrolyte layers 40 . 42 . 44 may alternatively or additionally also in the nature and condition, in particular the chemical composition and the particle size, their constituents, ie the selection of the respective solid electrolyte 41 and the respective particles of the active material 50 to distinguish.

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. 2 shows a very schematic plan view from about the top right to a rolling mill for producing an electrode 10 according to a first embodiment of the invention. In this case, an electrode precursor layer 11 through two structured rollers 70 . 71 (The structuring of the rollers can be seen in the enlargement and with 80 designated) with depressions 60 Mistake. The resulting structuring of the electrode precursor layer 11 can be seen in the second magnification and with 90 characterized.

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. 3 shows a very schematic side view of an electrode precursor layer 11 before the step of rolling in the rolling mill according to 2 , The electrode precursor layer 11 includes the current collector 20 and particles of the active material 50 that are surrounded by a solvent. In one embodiment, the particles are the active material 50 in the electrode precursor layer 11 from a solid electrolyte 41 and / or a solvent.

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.In 4 you can see how the pits 60 into the active material layer 30 be introduced. For this purpose, the structured roller rotates 70 in the direction indicated by the arrow, whereby by structuring 80 that are simply made from a variety of thorns 81 exists, wells 60 into the active material layer 30 be introduced. Instead of the thorns 81 For example, pyramidal patterns or grooves can also be formed into the surface O (A) of the active material layer by means of a fixed structural doctor blade 30 be introduced. The obtained structured active material layer 30 is subsequently treated by a coating process with an electrolyte composition comprising at least one solid electrolyte 41 coated, which is the solid electrolyte layer 40 on the surface O (A) of the active material layer 30 forms so in the 1a To obtain shown electrode.

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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Claims (13)

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.Layered electrode ( 10 ), comprising at least one current collector ( 20 ), at least one active material layer ( 30 ) and at least one solid electrolyte layer ( 40 ), characterized in that the active material layer ( 30 ) on at least one surface O (S) of the current collector ( 20 ) and recesses ( 60 ) on the of the current collector ( 20 ) opposite surface O (A) of the active material layer ( 30 ), wherein a solid electrolyte layer ( 40 ) on the one with the depressions ( 60 ) surface O (A) of the active material layer ( 30 ), so that the depressions ( 60 ) at least partially with the solid electrolyte layer ( 40 ) are filled out. Schichtförmige Elektrode (10) nach Anspruch 1, wobei die Aktivmaterialschicht (30) mindestens einen Polymerelektrolyten umfasst.Layered electrode ( 10 ) according to claim 1, wherein the active material layer ( 30 ) comprises at least one polymer electrolyte. Schichtförmige Elektrode (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Festelektrolytschicht (40) mindestens einen Polymerelektrolyten umfasst.Layered electrode ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein the solid electrolyte layer ( 40 ) comprises at least one polymer electrolyte. Schichtförmige Elektrode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Festelektrolytschicht (40) mindestens ein Aktivmaterial 50 umfasst.Layered electrode ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the solid electrolyte layer ( 40 ) at least one active material 50 includes. Schichtförmige Elektrode (10) nach Anspruch 4, wobei der Anteil an Aktivmaterial (50) in der Festelektrolytschicht (40) geringer ist als in der Aktivmaterialschicht (30).Layered electrode ( 10 ) according to claim 4, wherein the proportion of active material ( 50 ) in the solid electrolyte layer ( 40 ) is lower than in the active material layer ( 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.Layered electrode ( 10 ) according to claim 5, wherein the proportion of active material ( 50 ) in the active material layer ( 30 ) at least 60 wt .-% based on the total weight of the active material layer ( 30 ) and the proportion of active material ( 50 ) in the solid electrolyte layer ( 40 ) at most 50% by weight, based on the total weight of the solid electrolyte layer ( 40 ). 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. Method for producing an electrode ( 10 ), comprising the steps of: a) providing a current collector ( 20 ); b) applying an active material composition comprising at least one active material ( 50 ) on at least a part of a surface O (T) of a substrate T so as to have an active material layer ( 30 ) to obtain; c) structuring of the surface O (A) of the active material layer ( 30 ), so that recesses ( 60 ) in the active material layer ( 30 ) to form a structured active material layer ( 30 ) to obtain; d) applying an electrolyte composition comprising at least one solid electrolyte ( 41 ) on at least part of the surface O (A) of the structured active material layer ( 30 ), so that the depressions ( 60 ) in the structured active material layer ( 30 ) are at least partially filled with the electrolyte composition so as to form a solid electrolyte layer ( 40 ) to build. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Elektrolytzusammensetzung eine höhere Ionenleitfähigkeit aufweist als die Aktivmaterialzusammensetzung.The method of claim 7, wherein the electrolyte composition has a higher ionic conductivity than the active material composition. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Oberfläche O(T) eines Trägermaterials die Oberfläche O(S) eines Stromsammlers (20) ist. A method according to claim 7 or 8, wherein the surface O (T) of a carrier material is the surface O (S) of a current collector ( 20 ). 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. Method according to one of claims 7 to 9, wherein the structuring of the surface O (A) of the active material layer ( 30 ) by pressing a structured roller ( 70 . 71 ) is achieved. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Aktivmaterialschicht (30) nach dem Strukturierungsschritt c) verfestigt wird, bevor die Festelektrolytschicht (40) aufgebracht wird. Method according to one of claims 7 to 10, wherein the active material layer ( 30 ) after the structuring step c) is solidified before the solid electrolyte layer ( 40 ) is applied. Verwendung einer Elektrode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Elektrode (10) in einem elektrochemischen Energiespeichersystem.Using an electrode ( 10 ) according to one of claims 1 to 6 as an electrode ( 10 ) in an electrochemical energy storage system. Lithium-Ionen-Batterie, umfassend mindestens eine Elektrode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6. Lithium-ion battery, comprising at least one electrode ( 10 ) according to one of claims 1 to 6.
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