DE102018206799A1 - Electrode for a lithium-ion battery and method for producing an electrode for a lithium-ion battery - Google Patents

Electrode for a lithium-ion battery and method for producing an electrode for a lithium-ion battery Download PDF

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Abstract

Es wird eine Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere für eine Lithium-Polymer-Batterie, vorgeschlagen, wobei die Elektrode ein Polymer (30) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer (30) ein Polymer umfasst, dessen Moleküle zumindest teilweise eine kovalente Bindung mit Kohlenstoffpartikeln aufweisen.

Figure DE102018206799A1_0000
An electrode is proposed for a lithium-ion battery, in particular for a lithium-polymer battery, wherein the electrode comprises a polymer (30), characterized in that the polymer (30) comprises a polymer whose molecules are at least partially have a covalent bond with carbon particles.
Figure DE102018206799A1_0000

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie und ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie.The invention relates to an electrode for a lithium-ion battery and a method for producing an electrode for a lithium-ion battery.

Stand der TechnikState of the art

Bei bisher bekannten Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere Lithium-Polymer-Batterien, wird eine positive Festkörperelektrode hergestellt, indem ein Polymerbindemittel in einem Lösungsmittel aufgelöst wird und Aktivmaterial, elektrisch leitende Zusätze bzw. Additive und Lithiumsalz darin verteilt werden. Oftmals werden toxische Lösungsmittel, wie z.B. N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) oder Acetonitril, verwendet.In previously known lithium-ion batteries, in particular lithium-polymer batteries, a positive solid state electrode is prepared by a polymer binder is dissolved in a solvent and active material, electrically conductive additives or additives and lithium salt are distributed therein. Often, toxic solvents, e.g. N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or acetonitrile.

Bei lösungsmittelfreiem Herstellen der Elektrode bzw. Festkörperelektrode wird ein Polymer plastifiziert bzw. geschmolzen und eine hochviskose Paste wird hieraus durch Kneten, Extrudieren und/oder Kalandrieren, hergestellt.In the case of solvent-free preparation of the electrode or solid-state electrode, a polymer is plasticized or melted, and a highly viscous paste is produced therefrom by kneading, extruding and / or calendering.

2 eine Querschnittsansicht eines Teils einer Elektrode gemäß des Stands der Technik. Das Aktivmaterial 10' ist von Polymer 30' umgeben, in dem elektrisch leitenden Zusätze 20'-24' vorhanden sind. Das Aktivmaterial 10' ist elektrisch isoliert und stellt somit „totes“ bzw. inaktives Material der Elektrode dar. 2 a cross-sectional view of a portion of an electrode according to the prior art. The active material 10 ' is from polymer 30 ' surrounded, in the electrically conductive additives 20'-24 ' available. The active material 10 ' is electrically isolated and thus represents "dead" or inactive material of the electrode.

Nachteilig hieran ist, dass in der Elektrode Teile des Aktivmaterials und/oder der elektrisch leitenden Zusätze bzw. Additive elektrisch isoliert sind, so dass diese „totes“ bzw. inaktives Material ist und folglich nicht zur Funktionalität bzw. Kapazität der Elektrode bzw. der Lithium-Ionen-Batterie beitragen.The disadvantage of this is that in the electrode parts of the active material and / or the electrically conductive additives or additives are electrically isolated so that it is "dead" or inactive material and therefore not to the functionality or capacity of the electrode or the lithium Contribute ion battery.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, ein Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie bzw. Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie aufzuzeigen, bei der bzw. bei dem eine elektrische Isolierung von Aktivmaterial und/oder von elektrisch leitenden Zusätzen sicher verhindert ist bzw. wird.Embodiments of the present invention may advantageously enable an electrode for a lithium-ion battery or a method for producing an electrode for a lithium-ion battery, in which an electrical insulation of active material and / or of electrically conductive additives is safely prevented or will.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere für eine Lithium-Polymer-Batterie, vorgeschlagen, wobei die Elektrode ein Polymer umfasst bzw. beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein Polymer umfasst bzw. beinhaltet, dessen Moleküle zumindest teilweise eine kovalente Bindung mit Kohlenstoffpartikeln aufweisen.According to a first aspect of the invention, there is provided an electrode for a lithium ion battery, in particular for a lithium polymer battery, wherein the electrode comprises a polymer, characterized in that the polymer comprises a polymer whose molecules have at least partially a covalent bond with carbon particles.

Vorteilhaft hieran ist, dass durch die kovalente Bindung zwischen dem Polymer und den Kohlenstoffpartikeln (z.B. Ruß) das Polymer im Allgemeinen zumindest teilweise elektrisch leitend ist. Somit wird üblicherweise eine elektrische Isolierung von Aktivmaterial und/oder elektrisch leitenden Zusätzen bzw. Additiven beim mechanischen Ausbilden der Elektrode, insbesondere beim lösungsmittelfreien mechanischen Ausbilden der Elektrode, sicher verhindert. Zudem wird in der Regel nur eine geringe Menge an elektrisch leitenden Zusätzen benötigt. Somit kann die Menge an Aktivmaterial in der Elektrode und folglich die Kapazität der Batterie, die die Elektrode aufweist, erhöht werden. Das Polymer kann eine Polymer-Matrix sein.Advantageously, because of the covalent bond between the polymer and the carbon particles (e.g., carbon black), the polymer is generally at least partially electrically conductive. Thus, electrical insulation of active material and / or electrically conductive additives or additives during mechanical forming of the electrode, in particular in the case of solvent-free mechanical forming of the electrode, is usually reliably prevented. In addition, only a small amount of electrically conductive additives is usually required. Thus, the amount of active material in the electrode and hence the capacity of the battery having the electrode can be increased. The polymer may be a polymer matrix.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere für eine Lithium-Polymer-Batterie, vorgeschlagen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Plastifizieren eines Polymers; und lösungsmittelsfreies mechanisches Verarbeiten des Polymers, insbesondere mittels Knetens, Extrudieren und/oder Kalandrieren, zum Bilden der Elektrode, wobei das Polymer ein Polymer umfasst bzw. beinhaltet, dessen Moleküle zumindest teilweise eine kovalente Bindung mit Kohlenstoffpartikeln aufweisen.According to a second aspect of the invention, there is provided a method of manufacturing an electrode for a lithium-ion battery, in particular for a lithium-polymer battery, the method comprising the steps of: plasticizing a polymer; and solvent-free mechanical processing of the polymer, in particular by kneading, extrusion and / or calendering, to form the electrode, wherein the polymer comprises a polymer whose molecules have at least partially a covalent bond with carbon particles.

Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass eine Elektrode üblicherweise technisch einfach hergestellt wird, bei der durch die kovalente Bindung zwischen dem Polymer und den Kohlenstoffpartikeln (z.B. Ruß) das Polymer zumindest teilweise elektrisch leitend ist. Somit wird bei der durch das Verfahren hergestellten Elektrode in der Regel eine elektrische Isolierung von Aktivmaterial und/oder elektrisch leitenden Zusätzen bzw. Additiven beim mechanischen Ausbilden der Elektrode, insbesondere beim lösungsmittelfreien mechanischen Ausbilden der Elektrode, sicher verhindert. Zudem wird im Allgemeinen nur eine geringe Menge an elektrisch leitenden Zusätzen benötigt. Somit kann üblicherweise die Menge an Aktivmaterial in der durch das Verfahren hergestellten Elektrode und folglich die Kapazität der Batterie, die die Elektrode aufweist, erhöht werden.An advantage of this method is that an electrode is usually manufactured in a technically simple manner in which the polymer is at least partially electrically conductive due to the covalent bond between the polymer and the carbon particles (for example carbon black). Thus, in the electrode produced by the method usually an electrical insulation of active material and / or electrically conductive additives or additives in the mechanical forming of the electrode, in particular in the solvent-free mechanical forming of the electrode, reliably prevented. In addition, generally only a small amount of electrically conductive additives is needed. Thus, usually the amount of active material in the electrode produced by the method, and thus the capacity of the battery having the electrode, can be increased.

Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.Ideas for embodiments of the present invention may be considered, inter alia, as being based on the thoughts and findings described below.

Gemäß einer Ausführungsform der Elektrode umfasst das Polymer Polyether, Polyester und/oder ein Polymer, dessen Moleküle jeweils eine sekundäre Aminogruppe aufweisen, mittels der das Molekül mit dem Kohlenstoffpartikel verbunden ist. Vorteilhaft hieran ist, dass die Elektrode in der Regel technisch besonders einfach und kostengünstig ausgebildet sein kann. Die sekundäre Aminogruppe kann insbesondere eine NH-Gruppe sein, wobei der Kohlenstoffpartikel und eine der sich wiederholenden Einheiten des Polymers mit dem Stickstoffatom der NH-Gruppe kovalent verbunden sind.According to one embodiment of the electrode, the polymer comprises polyether, polyester and / or a polymer whose molecules each have a secondary amino group, by means of which the Molecule is associated with the carbon particle. An advantage of this is that the electrode can be designed technically particularly simple and inexpensive in the rule. In particular, the secondary amino group may be an NH group wherein the carbon particle and one of the repeating units of the polymer are covalently bonded to the nitrogen atom of the NH group.

Gemäß einer Ausführungsform der Elektrode weist die Elektrode ein Lithiumsalz auf. Hierdurch kann die Elektrode in der Regel technisch besonders einfach hergestellt werden.According to one embodiment of the electrode, the electrode has a lithium salt. As a result, the electrode can be produced in a technically particularly simple manner as a rule.

Gemäß einer Ausführungsform der Elektrode umfasst das Lithiumsalz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithium bis(trifluoromethansulfonyl)imid (LiC2F6NO4S2), Lithiumperchlorat (LiClO4) und/oder Lithium bis(fluorosulfonyl)imid (Li(FSO2)2)N). Ein Vorteil hiervon ist im Allgemeinen, dass mittels der Elektrode eine Batterie mit einer besonders hohen Kapazität hergestellt werden kann.According to one embodiment of the electrode, the lithium salt comprises lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiC 2 F 6 NO 4 S 2 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ) and / or lithium bis (fluorosulfonyl) imide (Li (FSO 2 ) 2 ) N). An advantage of this is generally that a battery with a particularly high capacity can be produced by means of the electrode.

Gemäß einer Ausführungsform der Elektrode weist die Elektrode eine derartige Menge an Lithiumsalz auf, dass das molare Verhältnis zwischen dem Lithiumsalz und einer Monomereinheit des Polymers im Bereich zwischen 1:50 und 1:1, insbesondere im Bereich 1:30 und 1:2, vorzugsweise im Bereich 1:20 und 1:5, liegt. Vorteilhaft hieran ist üblicherweise, dass die Elektrode eine gute Leitfähigkeit für Lithiumionen aufweist.According to one embodiment of the electrode, the electrode has an amount of lithium salt such that the molar ratio between the lithium salt and a monomer unit of the polymer in the range between 1:50 and 1: 1, in particular in the range 1:30 and 1: 2, preferably in the range of 1:20 and 1: 5. An advantage of this is usually that the electrode has a good conductivity for lithium ions.

Gemäß einer Ausführungsform der Elektrode sind die Kohlenstoffpartikel im Wesentlichen gleichmäßig über die Elektrode verteilt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die elektrischen Leitpfade von dem Aktivmaterial in der Regel jeweils besonders kurz sind, so dass die Elektrode besonders viel Aktivmaterial bei einem geringen Kohlenstoffanteil aufweisen kann und dennoch nur wenig bis kein Aktivmaterial elektrisch isoliert ist.According to one embodiment of the electrode, the carbon particles are distributed substantially uniformly over the electrode. This ensures that the electrical conductive paths of the active material are usually particularly short in each case, so that the electrode can have a particularly high amount of active material with a low carbon content and yet only little to no active material is electrically isolated.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Polymer gebildet, indem Moleküle des Polymers jeweils mit einer Carbonylgruppe des Kohlenstoffpartikels kovalent verbunden werden. Hierdurch kann das Polymer bzw. können die Moleküle des Polymers üblicherweise technisch einfach mit den Kohlenstoffpartikeln kovalent verbunden werden.According to one embodiment of the method, the polymer is formed by covalently bonding molecules of the polymer to a carbonyl group of the carbon particle. As a result, the polymer or the molecules of the polymer can usually be covalently bonded to the carbon particles in a technically simple manner.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem mechanischen Verarbeiten dem Polymer ein Lithiumsalz hinzugefügt. Hierdurch wird die Elektrode im Allgemeinen technisch besonders einfach hergestellt.According to one embodiment of the method, a lithium salt is added to the polymer prior to mechanical processing. As a result, the electrode is generally produced in a particularly technically simple manner.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Kohlenstoffpartikel im Wesentlichen gleichmäßig über das Polymer verteilt. Hierdurch wird in der Regel sichergestellt, dass die elektrischen Leitpfade von dem Aktivmaterial jeweils besonders kurz sind, so dass die Elektrode besonders viel Aktivmaterial bei einem geringen Kohlenstoffanteil aufweisen kann und dennoch nur wenig bis kein Aktivmaterial elektrisch isoliert ist.According to one embodiment of the method, the carbon particles are distributed substantially uniformly over the polymer. As a result, it is generally ensured that the electrical conductive paths of the active material are each particularly short, so that the electrode can have a particularly large amount of active material with a low carbon content and yet only little to no active material is electrically insulated.

Die Elektrode kann insbesondere als Kathode einer Batterie verwendet werden.The electrode can be used in particular as the cathode of a battery.

Insbesondere können die Kohlenstoffpartikel eine im Wesentlichen kugelförmige Form aufweisen.In particular, the carbon particles may have a substantially spherical shape.

Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale der Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie und des Verfahrens zum Herstellen einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.It should be understood that some of the possible features and advantages of the invention are described herein with reference to different embodiments. One skilled in the art will recognize that the features of the lithium ion battery electrode and the method of manufacturing an electrode for a lithium ion battery may be suitably combined, adjusted, or replaced to yield other embodiments of the invention.

Figurenlistelist of figures

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.

  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode; und
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer Elektrode gemäß des Stands der Technik.
Embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which neither the drawings nor the description are to be construed as limiting the invention.
  • 1 shows a cross-sectional view of a part of an embodiment of the electrode according to the invention; and
  • 2 shows a cross-sectional view of a portion of an electrode according to the prior art.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.The figures are only schematic and not to scale. Like reference numerals designate the same or equivalent features in the figures.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode. 1 shows a cross-sectional view of a part of an embodiment of the electrode according to the invention.

Die Elektrode ist eine Festkörperelektrode. Die Elektrode ist eine positive Elektrode. Die Elektrode kann Teil einer Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere einer Lithium-Polymer-Batterie bzw. Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie, sein.The electrode is a solid-state electrode. The electrode is a positive electrode. The electrode may be part of a lithium-ion battery, in particular a lithium-polymer battery or solid-state lithium-ion battery.

In 1 ist ein Ausschnitt einer Ausführungsform der Elektrode zu sehen. Die Elektrode umfasst ein Polymer. Das Polymer bzw. die Makromoleküle des Polymers sind mit Kohlenstoffpartikeln kovalent gebunden. Das heißt, dass zumindest ein Teil der Moleküle des Polymers eine kovalente Verbindung mit jeweils einem Kohlenstoffpartikel aufweist.In 1 is a section of an embodiment of the electrode to see. The electrode comprises a polymer. The polymer or macromolecules of the polymer are covalent with carbon particles bound. That is, at least a part of the molecules of the polymer has a covalent bond with one carbon particle each.

Die Kohlenstoffpartikel bzw. Kohlenstoffteilchen können z.B. Ruß, Leitruß und/oder Industrieruß (sogenanntes „carbon black“) umfassen oder daraus bestehen.The carbon particles or carbon particles may e.g. Carbon black, carbon black and / or carbon black (carbon black) comprise or consist of.

Die Kohlenstoffpartikel können aus ca. 80% bis ca. 99,5% Kohlenstoff bestehen. Neben Kohlenstoff können die Kohlenstoffpartikel weitere Elemente wie Sauerstoff, Stickstoff und/oder Metallelemente aufweisen.The carbon particles may consist of about 80% to about 99.5% carbon. In addition to carbon, the carbon particles may have other elements such as oxygen, nitrogen and / or metal elements.

Die Größe der Kohlenstoffpartikel kann im Nanometerbereich liegen, z.B. zwischen ca. 10 nm und ca. 200 nm, insbesondere zwischen ca. 100 nm und ca. 200 nm, vorzugsweise zwischen ca. 130 nm und ca. 180 nm.The size of the carbon particles may be in the nanometer range, e.g. between about 10 nm and about 200 nm, in particular between about 100 nm and about 200 nm, preferably between about 130 nm and about 180 nm.

Zur Herstellung des Polymers, dessen Moleküle zumindest teilweise kovalent mit den Kohlenstoffpartikeln verbunden sind, kann wie folgt vorgegangen werden. Die Kohlenstoffpartikel werden oxidiert, so dass eine Carbonylgruppe (z.B. OOH oder OH) an dem Kohlenstoffpartikel ausgebildet wird.To prepare the polymer whose molecules are at least partially covalently bonded to the carbon particles, the procedure may be as follows. The carbon particles are oxidized to form a carbonyl group (e.g., OOH or OH) on the carbon particle.

Das Polymer weist eine Aminogruppe (z.B. eine NH2-Gruppe) auf bzw. eine solche wird beim Polymer ausgebildet. Anschließend wird nun mittels der Carbonylgruppe des Kohlenstoffpartikels und der Aminogruppe des Polymers eine kovalente Bindung bzw. chemische Bindung zwischen dem Polymermolekül und dem Kohlenstoffpartikel gebildet, d.h. dass das Polymermolekül mit dem Kohlenstoffpartikel kovalent verbunden ist. Das Polymer wurde sozusagen kohlenstofffunktionalisiert (englisch: carbon functionalized polymer).The polymer has an amino group (eg, an NH 2 group) or such is formed in the polymer. Subsequently, by means of the carbonyl group of the carbon particle and the amino group of the polymer, a covalent bond or chemical bond between the polymer molecule and the carbon particle is formed, ie, the polymer molecule is covalently bonded to the carbon particle. The polymer was, so to speak, carbon-functionalized (English: carbon functionalized polymer).

Das Polymer, dessen Moleküle zumindest teilweise mit Kohlenstoffpartikeln kovalent gebunden sind, kann insbesondere ein Polymer sein, wie es in folgendem Artikel beschrieben ist:The polymer whose molecules are at least partially covalently bonded to carbon particles may in particular be a polymer as described in the following article:

Soares, M.C.; Viana, M.M.; Schaefer, Z.L.; Gangoli, V.S., Cheng, Y., Caliman, V.; Wong, M.S. & Silva, G.G.: „Surface modification of carbon black nanoparticles by dodecylamine: Thermal stability and phase transfer in brine medium“, Carbon, 2014, Band 72, Seiten 287-295, Elsevier VerlagSoares, MC; Viana, MM; Schaefer, ZL; Gangoli, VS, Cheng, Y., Caliman, V .; Wong, MS & Silva, GG: "Surface modification of carbon black nanoparticles by dodecylamine: thermal stability and phase transfer in brine medium", Carbon, 2014, volume 72 , Pages 287-295, Elsevier Verlag

Hierbei wird Ruß oxidiert und anschließend mittels N'-Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) zwischen Dodecylamin (DDA), welches hier das Polymer mit Aminogruppe ist, und Ruß eine kovalente Bindung hergestellt.In this process, carbon black is oxidized and then a covalent bond is produced by means of N'-dicyclohexylcarbodiimide (DCC) between dodecylamine (DDA), which here is the amino-containing polymer, and carbon black.

Die Elektrode wird wie folgt mittels dem Polymer, dessen Moleküle zumindest teilweise, insbesondere vollständig, kovalent mit den Kohlenstoffpartikeln verbunden sind, hergestellt. Zunächst wird das Polymer, dessen Moleküle zumindest teilweise, insbesondere vollständig, kovalent mit den Kohlenstoffpartikeln verbunden sind, plastifiziert bzw. geschmolzen, so dass eine hochviskose Paste entsteht. Anschließend wird die Elektrode mechanisch aus dem Polymer geformt. Das mechanische Formen wird durch Kneten, Extrudieren und/oder Kalandrieren durchgeführt.The electrode is produced as follows by means of the polymer whose molecules are at least partially, in particular completely, covalently bonded to the carbon particles. First, the polymer whose molecules are at least partially, in particular completely, covalently bonded to the carbon particles, plasticized or melted, so that a highly viscous paste is formed. Subsequently, the electrode is mechanically molded from the polymer. The mechanical forming is carried out by kneading, extruding and / or calendering.

Zur Herstellung der Elektrode wird kein Lösungsmittel verwendet, d.h. es ist ein lösungsmittelfreier Prozess.No solvent is used to prepare the electrode, i. it is a solvent-free process.

Durch das Vorhandensein der Kohlenstoffpartikel in dem Polymer bzw. in der Elektrode ist im Wesentlichen alles Aktivmaterial 10 in der Elektrode elektrisch verbunden, d.h. nicht elektrisch isoliert. Das Aktivmaterial 10 ist beispielsweise mittels der Kohlenstoffpartikel elektrisch mit elektrisch leitenden Zusätzen 20-24 und/oder anderem Aktivmaterial 10 der Elektrode verbunden. Es gibt in der Elektrode somit praktisch kein Aktivmaterial 10, das „tot“ bzw. inaktiv ist, d.h. kein Teil des Aktivmaterials 10 ist nicht mit weiteren Teilen der Elektrode oder der äußeren Oberfläche der Elektrode elektrisch verbunden.By the presence of the carbon particles in the polymer or in the electrode is substantially all active material 10 electrically connected in the electrode, that is not electrically isolated. The active material 10 For example, by means of the carbon particles electrically with electrically conductive additives 20-24 and / or other active material 10 connected to the electrode. There is thus virtually no active material in the electrode 10 that is "dead" or inactive, ie no part of the active material 10 is not electrically connected to other parts of the electrode or the outer surface of the electrode.

Gleiches gilt für die elektrisch leitenden Zusätze 20-24 bzw. Additive. D.h. kein Teil bzw. Anteil der elektrisch leitenden Zusätze 20-24 bzw. Additive ist elektrisch isoliert.The same applies to the electrically conductive additives 20-24 or additives. That is, no part or proportion of the electrically conductive additives 20-24 or additive is electrically isolated.

Somit kann mittels der Elektrode eine Lithium-Batterie mit einer besonders hohen Kapazität gebildet werden. Auch sind die Laderaten bzw. Entladeraten einer solchen Lithium-Batterie sehr hoch. Dies gilt insbesondere für mittlere Lade-/Entladeraten und hohe Lade-/Entladeraten.Thus, by means of the electrode, a lithium battery having a particularly high capacity can be formed. Also, the charging rates or discharge rates of such a lithium battery are very high. This applies in particular to medium charge / discharge rates and high charge / discharge rates.

Wenn die Kohlenstoffpartikel besonders gleichmäßig über die Elektrode bzw. das Volumen der Elektrode verteilt sind, sind die elektrischen Pfade gleichmäßig über die Elektrode bzw. das Volumen der Elektrode verteilt. Hierdurch werden besonders wenige Kohlenstoffpartikel benötigt. Somit kann der Anteil des Aktivmaterials 10 in der Elektrode besonders groß sein.If the carbon particles are distributed particularly uniformly over the electrode or the volume of the electrode, the electrical paths are distributed uniformly over the electrode or the volume of the electrode. As a result, very few carbon particles are needed. Thus, the proportion of the active material 10 be particularly large in the electrode.

Eine gleichmäßige Verteilung der Kohlenstoffpartikel über die Elektrode kann z.B. durch das mechanische Verarbeiten bzw. Herstellen der Elektrode erreicht werden.Uniform distribution of the carbon particles across the electrode can be achieved e.g. be achieved by the mechanical processing or manufacture of the electrode.

Die Länge der Moleküle des Polymers und/oder der Anteil der Polymermoleküle an der Elektrode, die jeweils mit einem Kohlenstoffpartikel chemisch bzw. kovalent verbunden sind, können jeweils an die Elektrode, d.h. z.B. an die Menge und/oder Dichte des Aktivmaterials 10 in der Elektrode angepasst werden oder sein. Z.B. kann bei einer größeren Menge an elektrisch leitenden Zusätzen kann ein Polymer mit Molekülen verwendet werden, die eine relativ lange Länge aufweisen. Wenn eine geringere Menge an elektrisch leitenden Zusätze verwendet wird, kann ein Polymer mit Molekülen mit einer relativ großen Länge verwendet werden.The length of the molecules of the polymer and / or the proportion of the polymer molecules on the electrode which are each chemically or covalently bonded to a carbon particle can each be applied to the electrode, ie, for example, to the amount and / or density of the active material 10 be adapted or be in the electrode. For example, with a greater amount of electrically conductive additives, a polymer can be used with molecules having a relatively long length. When a smaller amount of electrically conductive additives is used, a polymer having relatively long molecules can be used.

Der Anteil bzw. die Menge der Polymermoleküle, die jeweils mit (mindestens) einem Kohlenstoffpartikel kovalent verbunden sind und folglich die Menge an Kohlenstoffpartikel in der Elektrode kann an die jeweilige Elektrode angepasst werden oder sein. Z.B. kann abhängig von der Menge und/oder Dichte des Aktivmaterials 10 in der Elektrode und/oder abhängig von der Menge und/oder Dichte der elektrisch leitenden Zusätze eine unterschiedlich Menge an Kohlenstoffpartikeln bzw. an Polymermolekülen, die jeweils mit einem Kohlenstoffpartikel kovalent bzw. mittels Atomverbindung verbunden sind, in der Elektrode vorhanden sein.The proportion or amount of the polymer molecules which are each covalently bonded to (at least) one carbon particle and consequently the amount of carbon particles in the electrode can be adapted to the respective electrode or be. For example, depending on the amount and / or density of the active material 10 in the electrode and / or depending on the amount and / or density of the electrically conductive additives, a different amount of carbon particles or on polymer molecules, which are each connected to a carbon particle covalently or by atomic connection, be present in the electrode.

Die Elektrode umfasst üblicherweise zudem ein Lithiumsalz. Das Lithiumsalz kann z.B. Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithium bis(trifluoromethansulfonyl)imid (LiC2F6NO4S2), Lithiumperchlorat (LiClO4) und/oder Lithium bis(fluorosulfonyl)imid (Li(FSO2)2)N) umfassen oder sein. Andere Lithiumsalze sind vorstellbar.The electrode usually also includes a lithium salt. The lithium salt can be, for example, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiC 2 F 6 NO 4 S 2 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ) and / or lithium bis (fluorosulfonyl) imide (Li (Li). FSO 2 ) 2 ) N) include or be. Other lithium salts are conceivable.

Das Polymer, das mit dem Kohlenstoffpartikel verbunden ist, kann z.B. Polyester und/oder Polyether umfassen oder sein. Auch andere Polymere sind als Polymer, das mit dem Kohlenstoffpartikel verbunden ist, möglich, wobei das Polymer eine Aminogruppe umfasst, mittels der das Polymer mit dem Kohlenstoffpartikel chemisch bzw. kovalent verbunden werden kann.The polymer associated with the carbon particle may be e.g. Polyesters and / or polyethers include or be. Other polymers are also possible as the polymer associated with the carbon particle, the polymer comprising an amino group by means of which the polymer can be chemically or covalently bonded to the carbon particle.

Der Elektrolyt kann ein Festkörperelektrolyt sein.The electrolyte may be a solid electrolyte.

In 1 ist die elektrische Verbindung bzw. die elektrischen Verbindungen zwischen dem Aktivmaterial 10 und den elektrisch leitenden Zusätzen 20-24 durch das elektrisch leitende Polymer, dessen Moleküle zumindest teilweise mit jeweils einem Kohlenstoffpartikel verbunden sind, gezeigt bzw. angedeutet.In 1 is the electrical connection or connections between the active material 10 and the electrically conductive additives 20-24 by the electrically conductive polymer whose molecules are at least partially connected to each one carbon particles shown or indicated.

Durch die Kohlenstoffpartikel, die kovalent mit dem Polymer verbunden sind, ist das Polymer elektrisch leitend. Durch die Anzahl bzw. Dichte der Kohlenstoffpartikeln bzw. an Molekülen des Polymers, die jeweils mit einem Kohlenstoffpartikel kovalent verbunden sind, kann die Leitfähigkeit des Polymers eingestellt bzw. angepasst werden.The carbon particles, which are covalently bonded to the polymer, make the polymer electrically conductive. By the number or density of the carbon particles or molecules of the polymer, which are each covalently bonded to a carbon particle, the conductivity of the polymer can be adjusted or adjusted.

Durch die Kohlenstoffpartikel bzw. dadurch, dass das Polymer mit Kohlenstoffpartikel kovalent bzw. mittels Elektronenpaarverbindung bzw. mittels Atombindung verbunden ist, wird erreicht, dass auch bei einem mechanischen Bearbeiten bzw. Verarbeiten des Polymers zum Herstellen der Elektrode kein oder nur sehr wenig Aktivmaterial 10 elektrisch isoliert wird.By the carbon particles or by the fact that the polymer is covalently bonded with carbon particles or by means of electron pair connection or by means of atomic bonding, it is achieved that even with a mechanical processing or processing of the polymer for producing the electrode no or very little active material 10 is electrically isolated.

Die Kohlenstoffpartikel bzw. der Kohlenstoff und das Polymer sind nicht einfach nur miteinander vermischt oder vermengt, sondern chemisch miteinander verbunden.The carbon particles or the carbon and the polymer are not simply mixed or blended together, but chemically bonded together.

Alle Arten von Polymeren können verwendet werden, die an bzw. mit einer Carbonylgruppe des Kohlenstoffpartikels kovalent verbunden werden können. Insbesondere kann das Polymer ein Polyether oder ein Polyester sein. Auch eine Kombination hiervon ist vorstellbar.Any types of polymers can be used which can be covalently linked to a carbonyl group of the carbon particle. In particular, the polymer may be a polyether or a polyester. A combination of these is conceivable.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.Finally, it should be noted that terms such as "comprising," "comprising," etc., do not exclude other elements or steps, and terms such as "a" or "an" do not exclude a multitude. Reference signs in the claims are not to be considered as limiting.

Claims (10)

Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere für eine Lithium-Polymer-Batterie, wobei die Elektrode ein Polymer (30) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer (30) ein Polymer umfasst, dessen Moleküle zumindest teilweise eine kovalente Bindung mit Kohlenstoffpartikeln aufweisen.Electrode for a lithium-ion battery, in particular for a lithium-polymer battery, wherein the electrode comprises a polymer (30), characterized in that the polymer (30) comprises a polymer whose molecules at least partially form a covalent bond with carbon particles exhibit. Elektrode nach Anspruch 1, wobei das Polymer (30) Polyether, Polyester und/oder ein Polymer umfasst, dessen Moleküle jeweils eine sekundäre Aminogruppe aufweisen, mittels der das Molekül mit dem Kohlenstoffpartikel verbunden ist.Electrode after Claim 1 wherein the polymer (30) comprises polyethers, polyesters and / or a polymer whose molecules each have a secondary amino group by means of which the molecule is bonded to the carbon particle. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrode ein Lithiumsalz aufweist.Electrode after Claim 1 or 2 wherein the electrode comprises a lithium salt. Elektrode nach Anspruch 3, wobei das Lithiumsalz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithium bis(trifluoromethansulfonyl)imid (LiC2F6NO4S2), Lithiumperchlorat (LiClO4) und/oder Lithium bis(fluorosulfonyl)imid (Li(FSO2)2)N) umfasst.Electrode after Claim 3 in which the lithium salt is lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiC 2 F 6 NO 4 S 2 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ) and / or lithium bis (fluorosulfonyl) imide (Li (Li) FSO 2 ) 2 ) N). Elektrode nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Elektrode eine derartige Menge an Lithiumsalz aufweist, dass das molare Verhältnis zwischen dem Lithiumsalz und einer Monomereinheit des Polymers (30) im Bereich zwischen 1:50 und 1:1, insbesondere im Bereich 1:30 und 1:2, vorzugsweise im Bereich 1:20 und 1:5, liegt.Electrode after Claim 3 or 4 wherein the electrode has such an amount of lithium salt that the molar ratio between the lithium salt and a monomer unit of the polymer (30) is in the range of 1:50 to 1: 1, more preferably in the range of 1:30 to 1: 2, preferably in the Range 1:20 and 1: 5, lies. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kohlenstoffpartikel im Wesentlichen gleichmäßig über die Elektrode verteilt sind. Electrode according to one of the preceding claims, wherein the carbon particles are distributed substantially uniformly over the electrode. Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere für eine Lithium-Polymer-Batterie, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Plastifizieren eines Polymers (30); und lösungsmittelsfreies mechanisches Verarbeiten des Polymers (30), insbesondere mittels Knetens, Extrudieren und/oder Kalandrieren, zum Bilden der Elektrode, wobei das Polymer (30) ein Polymer umfasst, dessen Moleküle zumindest teilweise eine kovalente Bindung mit Kohlenstoffpartikeln aufweisen.Method for producing an electrode for a lithium-ion battery, in particular for a lithium-polymer battery, the method comprising the following steps: Plasticizing a polymer (30); and solventless mechanical processing of the polymer (30), in particular by means of kneading, extrusion and / or calendering, to form the electrode, wherein the polymer (30) comprises a polymer whose molecules at least partially have a covalent bond with carbon particles. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Polymer (30) gebildet wird, indem Moleküle des Polymers (30) jeweils mit einer Carbonylgruppe des Kohlenstoffpartikels kovalent verbunden werden.Method according to Claim 7 wherein the polymer (30) is formed by covalently bonding molecules of the polymer (30) to a carbonyl group of the carbon particle, respectively. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei vor dem mechanischen Verarbeiten dem Polymer (30) ein Lithiumsalz hinzugefügt wird.Method according to Claim 7 or 8th wherein, before the mechanical processing, a lithium salt is added to the polymer (30). Verfahren nach einem der Ansprüche 7-9, wobei die Kohlenstoffpartikel im Wesentlichen gleichmäßig über das Polymer (30) verteilt werden.Method according to one of Claims 7 - 9 wherein the carbon particles are distributed substantially uniformly over the polymer (30).
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