DE102017207439A1 - Electrodes with improved coating and process for their preparation - Google Patents
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Abstract
Elektrode, umfassend eine auf einem leitfähigen Substrat (70) aufgetragene Beschichtung aus Beschichtungsmaterial, wobei die Beschichtung mindestens einen ersten (10) und einen räumlich davon getrennten zweiten Beschichtungsbereich (20) mit voneinander abweichender Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials aufweist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Elektroden mit verlängerter Lebensdauer, insbesondere für den Einsatz in Batterien, sowie Verfahren zu deren Herstellung.The present invention relates to extended life electrodes, in particular for use in batteries, and to methods for their production.
Die Bedeutung moderner Batteriesysteme nimmt kontinuierlich zu. Sowohl im Bereich der Elektromobilität, das heißt im Bereich batteriebetriebener Fahrzeuge, wie Elektromobile, E-Bikes oder Hybridfahrzeuge, als auch im Bereich tragbarer Geräte, zum Beispiel Kommunikations- oder Unterhaltungsgeräte, werden hochleistungsfähige Batteriesysteme benötigt. Die Anforderungen an derartige Batteriesysteme sind vielfältig und je nach Einsatzzweck durchaus unterschiedlich. In der Regel sollen die Batterien sowohl eine hohe Batterieleistung als auch eine hohe Batterieenergie bereitstellen. Wesentlich ist darüber hinaus auch, dass sie eine möglichst lange Lebensdauer aufweisen, das heißt insbesondere sowohl kalendarisch als auch zyklusabhängig so langsam wie möglich altern. Die Nutzung von Batterien, insbesondere auch Lithium-Ionen-Batterien, führt im Laufe der Zeit nämlich zu einer verstärkten Zellschädigung und damit Alterung. Kalendarische Alterung tritt insbesondere bei der Lagerung von Batterien, insbesondere bei hohen Temperaturen und/oder längeren Lagerzeiten auf, beispielsweise auch während des Zeitraums zwischen Batteriefertigung und Ersteinsatz oder bei längeren Standzeiten, insbesondere bei Nichtverwendung ohne Lade- und Entladezyklen. Im Laufe der Zeit sinkt dabei die Kapazität und der State-of-Health (SOH). Zellschädigende und damit die Alterung beschleunigende Prozesse sind zum Beispiel Lithium-Plating, Particle-Cracking oder Schichtdickenzuwachs, insbesondere auch eine verstärkte Bildung von Solid-Electrolyte-Interfaces (SEI) aufgrund erhöhter Elektrolytzersetzung. Durch starke Beanspruchung des Aktivmaterials, der Elektrodenstruktur, bei Lagerung und/oder Lade- und Entladevorgängen, kommt es auch zu Volumenveränderungen, was zur Zerstörung der Elektrode und Kapazitätsverlust führt.The importance of modern battery systems is continuously increasing. Both in the field of electric mobility, ie in the field of battery-powered vehicles, such as electric vehicles, e-bikes and hybrid vehicles, as well as in the field of portable devices, such as communication or entertainment devices, high-performance battery systems are needed. The requirements for such battery systems are diverse and, depending on the purpose, quite different. In general, the batteries should provide both high battery power and high battery power. It is also essential that they have the longest possible lifetime, that is, in particular age as slowly as possible, both calendar-wise and cycle-dependent. The use of batteries, especially lithium-ion batteries, leads in the course of time namely to increased cell damage and thus aging. Calendar aging occurs especially in the storage of batteries, especially at high temperatures and / or longer storage times, for example, during the period between battery production and initial use or longer life, especially when not in use without charging and discharging cycles. Over time, capacity and state-of-health (SOH) will decrease. Cell-damaging and thus aging-accelerating processes are, for example, lithium plating, particle cracking or layer thickness increase, in particular an increased formation of solid electrolyte interfaces (SEI) due to increased electrolyte decomposition. Heavy loading of the active material, the electrode structure, during storage and / or charging and discharging, also leads to volume changes, which leads to the destruction of the electrode and capacity loss.
Die bisher bekannten Maßnahmen, die Batteriealterung soweit wie möglich zu reduzieren, reichen von Anwendungshinweisen für die Nutzung, Lagerung und das Aufladen von Batterien, über die Verwendung automatisierter Batteriemanagement-Systeme bis hin zur Verwendung verbesserter Materialien, Zellkomponenten sowie Zellgeometrien für noch leistungsfähigere und langlebigere Elektroden und Batterien.The previously known measures to reduce battery aging as much as possible range from application notes for the use, storage and charging of batteries, to the use of automated battery management systems to the use of improved materials, cell components and cell geometries for even more powerful and durable electrodes and batteries.
So offenbart zum Beispiel die
Nach wie vor ist jedoch ein Bedarf an Elektroden und Batterien gegeben, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen, insbesondere eine erhöhte Lebensdauer, insbesondere verringerte Alterungseffekte aufweisen.However, as before, there is a need for electrodes and batteries which do not have the aforementioned disadvantages, in particular have an increased service life, in particular reduced aging effects.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, Elektroden und Batterien bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen, insbesondere eine erhöhte Lebensdauer, insbesondere reduzierte Alterung aufweisen.The present invention is therefore based on the technical problem of providing electrodes and batteries which do not have the aforementioned disadvantages, in particular have an increased service life, in particular reduced aging.
Die vorliegende Erfindung löst das ihr zugrunde liegende technische Problem durch die Bereitstellung der Lehren der unabhängigen Ansprüche.The present invention solves the underlying technical problem by providing the teachings of the independent claims.
Insbesondere löst die vorliegende Erfindung das ihr zugrunde liegende Problem durch die Bereitstellung einer Elektrode, umfassend eine auf einem leitfähigen Substrat aufgetragene Beschichtung aus Beschichtungsmaterial, wobei die Beschichtung mindestens einen ersten und einen räumlich davon getrennten zweiten Beschichtungsbereich mit voneinander abweichender Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials aufweist.In particular, the present invention solves the underlying problem by providing an electrode comprising a coating of coating material applied to a conductive substrate, the coating having at least a first and a spatially separate second coating region having a different composition of the coating material.
Die vorliegende Erfindung sieht daher die Bereitstellung einer Elektrode vor, umfassend eine auf einem leitfähigen Substrat aufgetragene Beschichtung aus Beschichtungsmaterial, wobei diese Beschichtung mindestens zwei verschiedene Beschichtungsbereiche aufweist, die räumlich voneinander getrennt sind und wobei die Zusammensetzungen der in den beiden räumlich voneinander getrennten Beschichtungsbereichen vorliegenden Beschichtungsmaterialien voneinander abweichen. In besonders bevorzugter Ausführungsform grenzen die mindestens zwei verschiedenen Beschichtungsbereiche entweder unmittelbar aneinander an, das heißt kontaktieren sich direkt, insbesondere sind diskret aneinander unmittelbar angrenzend angeordnet oder sie gehen fließend und kontinuierlich ineinander über.The present invention therefore provides for the provision of an electrode comprising a coating of coating material applied to a conductive substrate, this coating having at least two different coating regions which are spatially separated from each other and the compositions of the coating materials present in the two spatially separate coating regions differ from each other. In a particularly preferred embodiment, the at least two different coating regions either adjoin one another directly, that is to say contact directly, in particular are arranged discretely adjacent to one another directly or merge into one another continuously and continuously.
Die vorliegende Erfindung beruht insbesondere auf der Beobachtung, dass Elektroden, die in derzeitigen Batteriezellen verbaut werden, eine einheitliche Zusammensetzung des das leitfähige Substrat beschichtenden Materials aufweisen. Die Öffnung gealterter, insbesondere zyklisierter Batteriezellen, hat gezeigt, dass die Elektroden ungleichmäßige Alterungserscheinungen aufweisen. So liegen Bereiche vor, insbesondere in gestapelten Pouch-Zellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, in denen die Alterungseffekte, zum Beispiel Lithium-Plating, Particle-Cracking und/oder Schichtdickenzuwachs, besonders im Bereich um die Stromableiter auftreten. In manchen Batteriezellen, insbesondere auch bei gewickelten Batteriezellen, tritt die Alterung bevorzugt in der Mitte des Elektrodenwickels oder besonders in den Randbereichen auf. Derartige inhomogen gealterte Elektroden können infolgedessen nicht mehr gleichmäßig Metallionen, zum Beispiel Lithium-Ionen, aufnehmen, mit der Folge eines Kapazitätsverlustes und eines Herabsetzens der Lebensdauer der Batterie. Die vorliegende Erfindung stellt überaschenderweise eine Lehre bereit, gemäß der die Lebensdauer von Elektroden, insbesondere diese aufweisenden galvanische Zellen und Batterien, verlängert werden kann, insbesondere reduzierte Kapazitätsverluste erreicht werden können. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Elektroden in räumlich unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Zusammensetzungen ihrer Beschichtung aufweisen, wodurch eine inhomogene lokale Elektrodenalterung vermieden oder reduziert wird. Erfindungsgemäß bevorzugt wird dazu eine Elektrode bereitgestellt, die in den Bereichen, in denen im Verlauf der Batterienutzung vermehrt Alterungsprozesse, wie Schichtdickenwachstum, auftreten mit einem anderen Beschichtungsmaterial versehen werden, als in Bereichen, in denen geringer ausgeprägte Alterungsphänomene zu erwarten sind. Es ist demgemäß möglich, gezielt auf die zu erwartenden Alterungsprozesse angepasste Beschichtungsmaterialien auf die entsprechenden Bereiche der Elektrode aufzubringen, um so den unterschiedlichen Lokalisations-abhängigen Alterungsprozessen Rechnung zu tragen. So werden in Bereichen der Elektrode, in denen im Verlauf der Batterienutzung aufgrund insbesondere einer Hochstrombelastung stärker ausgeprägte Alterungsprozesse zu erwarten sind, Beschichtungsmaterialien eingesetzt, die ein darauf angepasstes Aktivmaterial und/oder eine bestimmte Dichte und/oder Partikelgröße aufweisen. Erfindungsgemäß ist es insbesondere auch möglich, in Bereichen der Elektrode, in denen im Verlauf der Batterienutzung aufgrund einer geringeren Strombelastung geringer ausgeprägte Alterungsprozesse zu erwarten sind, Beschichtungsmaterialien einzusetzen, die ein darauf angepasstes Aktivmaterial und/oder Partikelgröße und/oder Dichte aufweisen. In particular, the present invention is based on the observation that electrodes installed in current battery cells have a uniform composition of the conductive substrate coating material. The opening of aged, in particular cyclized battery cells, has shown that the electrodes have uneven aging phenomena. Thus, there are areas, in particular in stacked pouch cells, in particular lithium-ion cells, in which the aging effects, for example lithium plating, particle cracking and / or layer thickness increase, especially in the area around the current conductors occur. In some battery cells, especially in wound battery cells, the aging preferably occurs in the middle of the electrode coil or especially in the edge regions. As a result, such inhomogeneously aged electrodes can no longer uniformly receive metal ions, for example lithium ions, resulting in a loss of capacity and a reduction in the life of the battery. Surprisingly, the present invention provides a teaching according to which the service life of electrodes, in particular those galvanic cells and batteries having them, can be extended, in particular reduced capacity losses can be achieved. This is achieved in particular in that the electrodes have different compositions of their coating in spatially different regions, as a result of which inhomogeneous local electrode aging is avoided or reduced. According to the invention, an electrode is preferably provided for this purpose which, in the areas in which aging processes, such as layer thickness growth, are increasingly being provided with a different coating material than in areas in which less pronounced aging phenomena are to be expected. It is accordingly possible to apply coating materials adapted to the expected aging processes to the corresponding regions of the electrode so as to take account of the different localization-dependent aging processes. Thus, in areas of the electrode, in which more pronounced aging processes are to be expected in the course of battery use due in particular to a high current load, coating materials are used which have an adapted active material and / or a specific density and / or particle size. According to the invention, it is also possible in particular to use coating materials which have an active material adapted thereto and / or particle size and / or density in regions of the electrode in which less pronounced aging processes are to be expected due to a lower current load.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem „leitfähigen Substrat“ eine elektrisch leitfähige als Elektrodenbestandteil geeignete und der Stromzu- und -abfuhr dienende Vorrichtung, insbesondere eine Folie, insbesondere eine Metallfolie verstanden. In bevorzugter Ausführungsform kann die Metallfolie für die negative Elektrode in Form von Kupfer- und/oder für die positive Elektrode in Form von Aluminiumfolie vorliegen.In the context of the present invention, a "conductive substrate" is understood as meaning an electrically conductive device which is suitable as an electrode constituent and which serves to supply and remove the current, in particular a foil, in particular a metal foil. In a preferred embodiment, the metal foil for the negative electrode may be in the form of copper and / or for the positive electrode in the form of aluminum foil.
Besonders bevorzugt weist das Substrat eine Dicke von 1 bis 20, insbesondere 2 bis 18, insbesondere 5 bis 17, insbesondere 5 bis 10, vorzugsweise 10 µm auf.Particularly preferably, the substrate has a thickness of 1 to 20, in particular 2 to 18, in particular 5 to 17, in particular 5 to 10, preferably 10 .mu.m.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem „Beschichtungsmaterial“ eine auf einem leitfähigen Substrat aufgebrachte Zusammensetzung aus mindestens einem Aktivmaterial, mindestens einem Leitkohlenstoff und mindestens einem Binder verstanden, die zusammen mit dem leitfähigen Substrat die Elektrode bildet. Das Aktivmaterial ist vorzugsweise ein Ionenspeichermedium, wobei erfindungsgemäß bevorzugt für die negative Elektrode ein Material basierend auf natürlichen und/oder synthetischen Kohlenstoffen mit oder ohne Silizium und/oder für die positive Elektrode bevorzugt ein Material basierend auf mindestens einem Übergangsmetalloxid, zum Beispiel einem Lithium-Metalloxid, insbesondere einer Kombination verschiedener Übergangsmetalloxide, insbesondere einer Kombination verschiedener Lithium-Metalloxide eingesetzt wird.In the context of the present invention, a "coating material" is understood to mean a composition applied to a conductive substrate comprising at least one active material, at least one conducting carbon and at least one binder which forms the electrode together with the conductive substrate. The active material is preferably an ion storage medium, wherein according to the invention preferably for the negative electrode, a material based on natural and / or synthetic carbons with or without silicon and / or for the positive electrode, preferably a material based on at least one transition metal oxide, for example a lithium metal oxide , In particular, a combination of different transition metal oxides, in particular a combination of different lithium metal oxides is used.
Erfindungsgemäß bevorzugt wird als Lithium-Metalloxid Lithium-Mangan-Tetraoxid, Lithium-Nickel-Mangantetraoxid, Lithium-Kobalt-Dioxid, Lithium-Nickel-Dioxid, Lithium-ManganDioxid, Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid oder ein Gemisch davon eingesetzt.Lithium-metal oxide used according to the invention is preferably lithium manganese tetraoxide, lithium nickel manganese tetraoxide, lithium cobalt dioxide, lithium nickel dioxide, lithium manganese dioxide, lithium nickel manganese cobalt oxide or a mixture thereof.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter der „negativen Elektrode“ die Elektrode verstanden, die beim Entladen als Anode und beim Laden als Kathode fungiert und unter der „positiven Elektrode“ wird die Elektrode verstanden, die beim Entladen als Kathode und beim Laden als Anode fungiert.In the context of the present invention, the term "negative electrode" is understood to mean the electrode which acts as an anode during discharging and as a cathode during charging, and the "positive electrode" is understood to mean the electrode which acts as a cathode during discharging and as an anode during charging acts.
In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Elektrode eine Elektrode für eine erfindungsgemäße Batterie, insbesondere für eine erfindungsgemäß bevorzugte Lithium-Batterie, insbesondere für eine erfindungsgemäß bevorzugte Lithium-Ionen-Batterie.In a particularly preferred embodiment, the electrode according to the invention is an electrode for a battery according to the invention, in particular for a lithium battery preferred according to the invention, in particular for a lithium ion battery preferred according to the invention.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „Batterie“ eine Kombination gleichartiger, in Reihe geschalteter galvanischer Zellen verstanden. In the context of the present invention, a "battery" is understood to mean a combination of similar, series-connected galvanic cells.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Batterie“ darüber hinaus sowohl eine primäre als auch eine sekundäre Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, bevorzugt eine sekundäre Lithium-Ionen-Batterie, verstanden. Eine primäre Batterie ist eine nicht wiederaufladbare Batterie, eine sekundäre Batterie eine wiederaufladbare Batterie.In the context of the present invention, the term "battery" moreover means both a primary and a secondary battery, in particular a lithium-ion battery, preferably a secondary lithium-ion battery. A primary battery is a non-rechargeable battery, a secondary battery is a rechargeable battery.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter der „Lebensdauer“ einer Elektrode auch deren Zyklenstabilität verstanden, insbesondere wird unter einer Lebensdauer, insbesondere Zyklenstabilität, einer Batterie die Zeitspanne verstanden, innerhalb derer die Kapazität der Batterie auf einen bestimmten Wert, bevorzugt 80 %, der Ausgangskapazität, das heißt der Kapazität nach dem ersten vollständigen Ladevorgang, gefallen ist.In the context of the present invention, the term "life" of an electrode is understood as meaning its cycle stability; in particular, a lifetime, in particular cycle stability, of a battery is understood as the time within which the capacity of the battery is reduced to a specific value, preferably 80% Output capacity, that is, the capacity after the first complete charging has fallen.
In bevorzugter Ausführungsform ist die Batterie eine Alkali-/Mangan-, Blei-/Säure-, Nickel-/Kadmium- oder, besonders bevorzugt, Lithium-Batterie. In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die Lithium-Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie. Eine bevorzugte Lithium-Ionen-Batterie ist eine Lithium-Polymer-Batterie, Lithium-Kobaltdioxid-Batterie, Lithium-Titanat-Batterie, Lithium-Luft-Batterie, Lithium-Mangandioxid-Batterie, Lithium-Eisenphosphat-Batterie, oder Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen Batterie.In a preferred embodiment, the battery is an alkali / manganese, lead / acid, nickel / cadmium or, more preferably, lithium battery. In a particularly preferred embodiment, the lithium battery is a lithium-ion battery. A preferred lithium ion battery is a lithium polymer battery, lithium cobalt dioxide battery, lithium titanate battery, lithium air battery, lithium manganese dioxide battery, lithium iron phosphate battery, or tin sulfur. Lithium Ion Battery.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung weist eine Batterie der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse und mindestens eine galvanische Zelle mit mindestens einer negativen Elektrode, mindestens einer positiven Elektrode, mindestens einem elektrisch isolierendem Element, insbesondere einem Separator, und mindestens einer Elektrolytzusammensetzung auf, wobei mindestens eine, bevorzugt zwei, bevorzugt alle Elektroden der Batterie erfindungsgemäße Elektroden sind.In a preferred embodiment of the invention, a battery of the present invention comprises a housing and at least one galvanic cell having at least one negative electrode, at least one positive electrode, at least one electrically insulating element, in particular a separator, and at least one electrolyte composition, wherein at least one, preferably two, preferably all electrodes of the battery according to the invention are electrodes.
In bevorzugter Ausführungsform kann die Batterie mindestens eine Pouch-Zelle, prismatische Hartgehäusezelle oder Rundzelle umfassen.In a preferred embodiment, the battery may comprise at least one pouch cell, prismatic hard casing cell or round cell.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Elektrolytzusammensetzung eine flüssige, nicht wässrige Elektrolytzusammensetzung sein, insbesondere für den Einsatz in einer erfindungsgemäß bevorzugten Lithium-Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie. In einer weiteren Ausführungsform kann die Elektrolytzusammensetzung auch eine feste Elektrolytzusammensetzung sein. In bevorzugter Ausführungsform, insbesondere für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien, weist die Elektrolytzusammensetzung ein Lithiumsalz sowie ein organisches Lösungsmittel oder eine Kombination von organischen Lösungsmitteln auf, wobei das Lithiumsalz in dem organischen Lösungsmittel oder in der Kombination von organischen Lösungsmitteln gelöst ist und als Leitsalz fungiert.In a particularly preferred embodiment, the electrolyte composition may be a liquid, non-aqueous electrolyte composition, in particular for use in a lithium battery according to the invention, in particular lithium-ion battery. In a further embodiment, the electrolyte composition may also be a solid electrolyte composition. In a preferred embodiment, in particular for use in lithium-ion batteries, the electrolyte composition comprises a lithium salt and an organic solvent or a combination of organic solvents, wherein the lithium salt is dissolved in the organic solvent or in the combination of organic solvents and as Conducting salt acts.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem „Leitkohlenstoff” elektrisch leitfähiger Kohlenstoff, insbesondere Ruß verstanden. Dieser weist bevorzugt eine Oberfläche von mehr als 200 m2/g, bevorzugt mehr als 400 m2/g, bevorzugt mehr als 600 m2/g, bevorzugt mehr als 800 m2/g, bevorzugt mehr als 1000 m2/g auf.In the context of the present invention, the "conductive carbon" is understood as meaning electrically conductive carbon, in particular carbon black. This preferably has a surface area of more than 200 m 2 / g, preferably more than 400 m 2 / g, preferably more than 600 m 2 / g, preferably more than 800 m 2 / g, preferably more than 1000 m 2 / g ,
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Binder“ ein einzelner Binder oder eine Mischung verschiedener Binder als Binderkomponenten verstanden, insbesondere weist der Binder verschiedene Binderkomponenten und gegebenenfalls weitere Additive auf.In the context of the present invention, the term "binder" is understood to mean a single binder or a mixture of different binders as binder components, in particular the binder has various binder components and optionally further additives.
In besonders bevorzugter Ausführungsform liegen die auf dem leitfähigen Substrat aufgetragenen Beschichtungsmaterialien in partikulärer Form vor.In a particularly preferred embodiment, the coating materials applied to the conductive substrate are in particulate form.
In besonders bevorzugter Ausführungsform beträgt die Partikelgröße des Beschichtungsmaterials 3 bis 50, vorzugsweise 5 bis 30, insbesondere 6 bis 25 µm.In a particularly preferred embodiment, the particle size of the coating material is 3 to 50, preferably 5 to 30, in particular 6 to 25 microns.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Elektrode mindestens zwei Beschichtungsbereiche aufweist, die räumlich voneinander getrennt voneinander abweichende Zusammensetzungen des Beschichtungsmaterials aufweisen, insbesondere 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder mehr, vorzugsweise 2 oder 3, Beschichtungsbereiche mit voneinander abweichender Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials.In a particularly preferred embodiment, it is provided that the electrode according to the invention has at least two coating regions which have spatially separated compositions of the coating material, in particular 2, 3, 4, 5, 6, 7 or more, preferably 2 or 3, coating regions Deviating composition of the coating material.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander abweichenden Beschichtungsbereichen durch a) die Art des Beschichtungsmaterials, b) den relativen Anteil der Mengen der einzelnen Komponenten des Beschichtungsmaterials am gesamten Beschichtungsmaterial des jeweiligen Bereichs, also insbesondere der relativen Mengenanteile des Aktivmaterials, Leitkohlenstoffs und/oder Binders, c) die Partikelgröße des Beschichtungsmaterials, d) die Dichte des Beschichtungsmaterials oder von Kombinationen davon.In a particularly preferred embodiment, the compositions of the coating materials in the at least two divergent coating areas differ by a) the type of coating material, b) the relative proportion of the amounts of the individual components of the coating material on the entire coating material of the respective area, ie in particular the relative proportions c) the particle size of the coating material; d) the density of the coating material or combinations thereof.
In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die Elektrode der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander getrennten Beschichtungsbereiche hinsichtlich der Art des Beschichtungsmaterials unterscheiden, insbesondere hinsichtlich der Art des Aktivmaterials, der Art des verwendeten Leitkohlenstoffs, der Art des verwendeten Binders oder von Kombinationen davon.In a particularly preferred embodiment, the electrode of the present invention is characterized in that the compositions of the coating materials in the at least two separate coating regions differ with regard to the type of coating material, in particular with regard to the type of active material, the nature of the used Leitkohlenstoffs, the type of binder used or combinations thereof.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Elektrode dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander räumlich getrennten Beschichtungsbereichen hinsichtlich des jeweils eingesetzten Mengenverhältnisses von Aktivmaterial zu Leitkohlenstoff zu Binder unterscheiden. In dieser Ausführungsform unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander räumlich getrennten Beschichtungsbereichen also durch die relativen Anteile der Mengen von Aktivmaterial, Leitkohlenstoff und Binder am gesamten Beschichtungsmaterial im jeweiligen Beschichtungsbereich. In besonders bevorzugter Ausführungsform unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei räumlich voneinander getrennten Beschichtungsbereichen also insbesondere hinsichtlich der Mengenverhältnisse von eingesetztem Aktivmaterial, Leitkohlenstoff und Binder zueinander im jeweiligen Beschichtungsbereich.In a further preferred embodiment of the present invention, the electrode is characterized in that the compositions of the coating materials differ in the at least two spatially separate coating regions with respect to the ratio of active material to conductive carbon to binder used in each case. In this embodiment, the compositions of the coating materials in the at least two spatially separate coating regions thus differ by the relative proportions of the amounts of active material, conductive carbon and binder in the entire coating material in the respective coating region. In a particularly preferred embodiment, the compositions of the coating materials in the at least two spatially separate coating regions thus differ in particular in terms of the proportions of active material, Leitkohlenstoff and binder to each other in the respective coating area.
In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnen sich die erfindungsgemäßen Elektroden dadurch aus, dass sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander getrennten Beschichtungsbereichen sowohl a) hinsichtlich der Art des Beschichtungsmaterials, also insbesondere Aktivmaterial, Leitkohlenstoff und/oder Binder, als auch b) hinsichtlich des jeweils eingesetzten Mengenverhältnisses von eingesetztem Aktivmaterial zu Leitkohlenstoff zu Binder unterscheiden.In a particularly preferred embodiment of the present invention, the electrodes according to the invention are characterized in that the compositions of the coating materials in the at least two separate coating areas both a) in terms of the type of coating material, ie in particular active material, carbon and / or binder, as well as b ) differ in terms of the ratio used in each case of active material used to Leitkohlenstoff to binder.
In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnen sich die Elektroden dadurch aus, dass sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander räumlich getrennten Beschichtungsbereichen hinsichtlich c) der Partikelgröße, d) der Dichte oder der Partikelgröße und der Dichte der eingesetzten Beschichtungsmaterialien voneinander unterscheiden.In a particularly preferred embodiment of the present invention, the electrodes are characterized in that the compositions of the coating materials differ in the at least two spatially separate coating areas with respect to c) the particle size, d) the density or the particle size and the density of the coating materials used.
Insbesondere kann in bevorzugter Ausführungsform vorgesehen sein, dass in Bereichen der Elektrode, in denen eine ausgeprägte Alterung zu erwarten ist, Beschichtungsmaterialien eingesetzt werden, die eine im Vergleich zu anderen Bereichen der erfindungsgemäßen Elektrode kleinere Partikelgröße aufweisen, insbesondere mit Partikeln einer Größe von 5 bis 10 µm, insbesondere von 6 bis 9 µm Durchmesser. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass in Bereichen der Elektrode, in denen eine geringer ausgeprägte Alterung zu erwarten ist, Beschichtungsmaterialien eingesetzt werden, die im Vergleich zu anderen Bereichen der erfindungsgemäßen Elektrode eine größere Partikelgröße aufweisen, insbesondere mit Partikeln einer Größe von 15 bis 30 µm, insbesondere 18 bis 25 µm Durchmesser.In particular, it can be provided in a preferred embodiment that in areas of the electrode in which pronounced aging is to be expected, coating materials are used which have a smaller particle size compared to other areas of the electrode according to the invention, in particular with particles of a size of 5 to 10 μm, in particular from 6 to 9 μm in diameter. In a further preferred embodiment it can be provided that, in regions of the electrode in which less pronounced aging is to be expected, coating materials are used which have a larger particle size in comparison with other regions of the electrode according to the invention, in particular with particles of a size of 15 to 30 microns, in particular 18 to 25 microns in diameter.
In besonders bevorzugter Ausführungsform werden Elektroden bereitgestellt, auf denen mindestens zwei unterschiedliche Beschichtungsbereiche mit unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien vorliegen, insbesondere wobei in einem ersten Beschichtungsbereich Partikel mit einer Größe von 5 bis 10 µm, insbesondere 6 bis 9 µm Durchmesser vorliegen, während in einem zweiten Beschichtungsbereich Partikel mit einer Partikelgröße von 15 bis 30 µm, insbesondere 18 bis 25 µm Durchmesser vorliegen.In a particularly preferred embodiment, electrodes are provided on which there are at least two different coating regions with different coating materials, in particular particles having a size of 5 to 10 .mu.m, in particular 6 to 9 .mu.m diameter being present in a first coating region, while particles are present in a second coating region a particle size of 15 to 30 .mu.m, in particular 18 to 25 microns in diameter.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden Elektroden bereitgestellt, wobei sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander räumlich getrennten Beschichtungsbereichen a) hinsichtlich der Art des Beschichtungsmaterials, b) des Mengenverhältnisses von Aktivmaterial zu Leitkohlenstoff zu Binder und c) hinsichtlich der eingesetzten Größe der Partikel und d) hinsichtlich der Dichte des Beschichtungsmaterials voneinander unterscheiden.In a particularly preferred embodiment, electrodes are provided, wherein the compositions of the coating materials in the at least two spatially separate coating areas a) in terms of the type of coating material, b) the ratio of active material to conductive carbon to binder and c) in terms of the size of the particles used and d) differ from each other in the density of the coating material.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander getrennten Beschichtungsbereichen der erfindungsgemäßen Elektrode hinsichtlich a) der Art des Beschichtungsmaterials und c) der Partikelgröße des Beschichtungsmaterials.In a further preferred embodiment of the present invention, the compositions of the coating materials differ in the at least two separate coating regions of the electrode according to the invention with regard to a) the type of coating material and c) the particle size of the coating material.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander getrennten Beschichtungsbereichen der erfindungsgemäßen Elektrode hinsichtlich a) der Art des Beschichtungsmaterials und d) der Dichte des Beschichtungsmaterials.In a further preferred embodiment, the compositions of the coating materials differ in the at least two separate coating regions of the electrode according to the invention with regard to a) the type of coating material and d) the density of the coating material.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich die Zusammensetzungen der Beschichtungsmaterialien in den mindestens zwei voneinander getrennten Beschichtungsbereichen der erfindungsgemäßen Elektrode hinsichtlich b) des Mengenverhältnisses von Aktivmaterial zu Leitkohlenstoff zu Binder und c) der Partikelgröße.In a further preferred embodiment of the present invention, the compositions of the coating materials differ in the at least two separate coating regions of the electrode according to the invention with regard to b) the ratio of active material to conductive carbon to binder and c) the particle size.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Dicke der Beschichtung 5 bis 500, insbesondere 15 bis 250, insbesondere 20 bis 200, insbesondere 50 bis 150 µm.In a particularly preferred embodiment of the present invention, the thickness of the coating is 5 to 500, in particular 15 to 250, in particular 20 to 200, in particular 50 to 150 μm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Elektrode mindestens zwei Beschichtungsbereiche aufweist, die eine unterschiedliche Dicke aufweisen. In besonders bevorzugter Ausführungsform können auf der Elektrode 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder mehr, bevorzugt 2 oder 3, Beschichtungsbereiche mit unterschiedlicher Dicke vorliegen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ermöglichen es erfindungsgemäße Elektroden mit Bereichen mindestens zwei unterschiedlicher Dicken ebenfalls und zusätzlich, inhomogene lokale Elektrodenalterung zu vermeiden oder zu reduzieren. In a further preferred embodiment of the present invention, it is provided that the electrode according to the invention has at least two coating regions which have a different thickness. In a particularly preferred embodiment, coating regions with different thicknesses may be present on the electrode 2, 3, 4, 5, 6, 7 or more, preferably 2 or 3. In a particularly preferred embodiment, electrodes according to the invention with regions of at least two different thicknesses likewise and additionally make it possible to avoid or reduce inhomogeneous local electrode aging.
In besonders bevorzugter Ausführungsform sind die mindestens zwei Bereiche unterschiedlicher Dicke gleichzeitig auch die Bereiche unterschiedlicher Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials, fallen daher räumlich mit diesen zusammen. In dieser besonders bevorzugten Ausführungsform weisen daher der mindestens eine erste und der räumlich davon getrennte mindestens zweite Beschichtungsbereich sowohl eine abweichende Zusammensetzung als auch eine abweichende Dicke, das heißt Beschichtungsdicke, auf.In a particularly preferred embodiment, the at least two regions of different thickness at the same time also the regions of different composition of the coating material, therefore fall spatially with these together. In this particularly preferred embodiment, therefore, the at least one first and at least spatially separated at least second coating area both have a different composition and a different thickness, that is coating thickness, on.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die räumlich voneinander getrennten mindestens zwei Beschichtungsbereiche mit voneinander abweichender Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials Bereiche gleichmäßiger Dicke sein.In a further preferred embodiment, the spatially separated at least two coating regions with a different composition of the coating material can be regions of uniform thickness.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die mindestens zwei voneinander abweichende Zusammensetzungen aufweisenden Beschichtungsbereiche teilweise voneinander abweichende Dicken aufweisen, das heißt lediglich Teilbereiche des ersten Beschichtungsbereiches weisen eine gleiche Dicke wie der gesamte oder Teilbereiche des zweiten Beschichtungsbereichs auf.In a further particularly preferred embodiment of the present invention, the coating regions having at least two mutually differing compositions can have partially differing thicknesses, that is, only partial regions of the first coating region have the same thickness as the entire or partial regions of the second coating region.
In besonders bevorzugter Ausführungsform werden Beschichtungsbereiche der Elektroden, in denen im Verlauf der Batterienutzung, insbesondere aufgrund einer Hochstrombelastung, stärker ausgeprägte Alterungsprozesse zu erwarten sind, mit einer im Vergleich zu anderen Bereichen der erfindungsgemäßen Elektrode dünneren Beschichtung versehen. In bevorzugter Ausführungsform werden Beschichtungsbereiche der Elektroden, in denen im Verlauf der Batterienutzung, insbesondere aufgrund einer geringeren Strombelastung, geringer ausgeprägte Alterungsprozesse zu erwarten sind, mit einer im Vergleich zu anderen Bereichen der erfindungsgemäßen Elektrode dickeren Beschichtung versehen.In a particularly preferred embodiment, coating areas of the electrodes, in which more pronounced aging processes are to be expected in the course of battery use, in particular due to a high-current load, are provided with a thinner coating compared to other areas of the electrode according to the invention. In a preferred embodiment, coating regions of the electrodes in which less pronounced aging processes are to be expected in the course of battery use, in particular due to a lower current load, are provided with a thicker coating than other regions of the electrode according to the invention.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind Bereiche der Elektroden, in denen im Verlauf der Batterienutzung eine ausgeprägte Alterung zu erwarten ist, Bereiche um die Stromableiter.In a particularly preferred embodiment, areas of the electrodes in which pronounced aging is to be expected in the course of battery use are areas around the current conductors.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, insbesondere einer erfindungsgemäßen Elektrode bereit, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen mindestens eines leitfähigen Substrates, insbesondere einer leitfähigen Folie, insbesondere einer Metallfolie, und mindestens zweier fließfähiger Beschichtungsmaterialien mit voneinander abweichender Zusammensetzung,
- b) getrenntes Aufbringen der mindestens zwei Beschichtungsmaterialien mit voneinander abweichender Zusammensetzung auf räumlich voneinander getrennte Bereiche des leitfähigen Substrates und,
- c) Erhalt einer Elektrode, umfassend zwei räumlich voneinander getrennte Beschichtungsbereiche mit voneinander abweichender Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials auf dem leitfähigen Substrat.
- a) provision of at least one conductive substrate, in particular a conductive film, in particular a metal foil, and at least two flowable coating materials having a different composition,
- b) separately applying the at least two coating materials of differing composition to spatially separate regions of the conductive substrate and,
- c) obtaining an electrode, comprising two spatially separate coating regions with a different composition of the coating material on the conductive substrate.
In besonders bevorzugter Ausführungsform werden die mindestens zwei unterschiedlichen, fließfähigen Beschichtungsmaterialien in Form jeweils einer Suspension, insbesondere jeweils einem Slurry, auf das leitfähige Substrat aufgebracht. Das Beschichtungsmaterial, insbesondere das Aktivmaterial, der Leitkohlenstoff und der Binder können in einem organischen, wässrigen oder organisch/wässrigen Lösungsmittel dispergiert sein. In besonders bevorzugter Ausführungsform werden die mindestens zwei voneinander abweichenden Beschichtungsmaterialien gezielt auf verschiedene Bereiche des leitfähigen Substrates aufgebracht, wobei sich die Anordnung der mindestens zwei räumlich voneinander getrennten mindestens zwei Beschichtungsbereiche auf dem Substrat insbesondere nach Art und Ort der zu erwartenden Alterungsprozessen, der Zellgeometrie, dem Zelltyp und/oder der Ausführung der Stromableiter, beispielsweise Plus- und Minuspol auf der gleichen Seite oder auf entgegengesetzten Seiten der Zelle, richtet.In a particularly preferred embodiment, the at least two different, flowable coating materials in the form of a suspension, in particular in each case a slurry, are applied to the conductive substrate. The coating material, in particular the active material, the conducting carbon and the binder may be dispersed in an organic, aqueous or organic / aqueous solvent. In a particularly preferred embodiment, the at least two divergent coating materials are selectively applied to different areas of the conductive substrate, wherein the arrangement of at least two spatially separated at least two coating areas on the substrate in particular on the type and location of the expected aging processes, the cell geometry, the Cell type and / or the execution of the current collector, for example, plus and minus pole on the same side or on opposite sides of the cell, directed.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt das getrennte Aufbringen der mindestens zwei verschiedenen Beschichtungsmaterialien auf dem leitfähigen Substrat in Form eines Nassbeschichtens des Substrates.In a particularly preferred embodiment, the separate application of the at least two different coating materials takes place on the conductive substrate in the form of a wet coating of the substrate.
In bevorzugter Ausführungsform wird nach dem Nassbeschichten des leitfähigen Substrats ein Trocknungs- und gegebenenfalls Verdichtungsschritt durchgeführt.In a preferred embodiment, after the wet coating of the conductive substrate, a drying and optionally compacting step is carried out.
In besonders bevorzugter Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung auch Elektroden, herstellbar gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren. In a particularly preferred embodiment, the present invention also relates to electrodes producible according to a method of the invention.
In besonders bevorzugter Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung auch Batterien, enthaltend mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode, insbesondere eine Elektrode herstellbar nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren.In a particularly preferred embodiment, the present invention also relates to batteries containing at least one electrode according to the invention, in particular an electrode producible according to one of the methods of the invention.
In besonders bevorzugter Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung auch Vorrichtungen, enthaltend mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode, insbesondere mindestens eine erfindungsgemäße Batterie, insbesondere Roboter oder Elektrofahrzeuge, beispielsweise elektrisch angetriebene Autos, Hybridfahrzeuge oder E-Bikes, oder Elektroflugzeuge, beispielsweise Drohnen und Satelliten.In a particularly preferred embodiment, the present invention also relates to devices comprising at least one electrode according to the invention, in particular at least one battery according to the invention, in particular robots or electric vehicles, such as electrically powered cars, hybrid vehicles or e-bikes, or electric aircraft, such as drones and satellites.
In besonders bevorzugter Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung auch erfindungsgemäße Elektroden und/oder Batterien aufweisende portable Geräte, wie Lampen oder Geräte der Kommunikations- und/oder Unterhaltungselektronik, zum Beispiel Telefon, Smartphones, Laptops oder Notebooks.In a particularly preferred embodiment, the present invention also relates to electrodes and / or batteries having portable devices according to the invention, such as lamps or devices of communication and / or consumer electronics, for example telephone, smartphones, laptops or notebooks.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele und dazugehörigen Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the following examples and associated figures.
Die Figuren zeigen:
- Figuren lA bis 1F In schematischer Darstellung Pouchzellen und Elektroden mit Bereichen verstärkter Alterung in der Nähe der Stromableiter.
-
2 Eine negative Elektrode einer nicht dargestellten Pouchzelle mit zwei unterschiedlich zusammengesetzten Beschichtungsbereichen. -
3 Eine negative Elektrode einer nicht dargestellten Pouchzelle mit drei unterschiedlich zusammengesetzten Beschichtungsbereichen. -
4 Im Querschnitt die Vorderansicht einer Elektrode mit gleicher Beschichtungsdicke in allen drei unterschiedlich zusammengesetzten Beschichtungsbereichen. -
5 Im Querschnitt die Vorderansicht einer Elektrode mit drei unterschiedlich zusammengesetzten Beschichtungsbereichen unterschiedlicher Beschichtungsdicke.
- Figures 1A to 1F schematically show pouch cells and electrodes with areas of increased aging near the current conductors.
-
2 A negative electrode of a pouch cell, not shown, with two differently composed coating areas. -
3 A negative electrode of a pouch cell, not shown, with three differently composed coating areas. -
4 In cross section, the front view of an electrode with the same coating thickness in all three different composition coating areas. -
5 In cross section, the front view of an electrode with three different composition coating areas of different coating thickness.
Beispiele:Examples:
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2003/0008213 A1 [0004]US 2003/0008213 A1 [0004]
- EP 1261048 [0004]EP 1261048 [0004]
- EP 1730800 [0004]EP 1730800 [0004]
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