DE102018220125A1 - Surface modification of cathode active materials for improved binder adhesion - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenmaterials (1) für eine Lithium-Ionen-Batterie umfassend Kathodenaktivmaterial (2), polymeren Binder und gegebenenfalls Leitzusatz, umfassend die Schritte:- Mischen von Kathodenaktivmaterial, polymerem Binder und gegebenenfalls Leitzusatz in einem flüssigen Lösungsmittel und- optional Aufbringen der Mischung auf einen Elektrodenträger zur Ausbildung einer Kathode.Erfindungsgemäß wird das Kathodenaktivmaterial mit Monomeren (3) des polymeren Binders oberflächenmodifiziert. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kathode, welche ein Kathodenmaterial umfasst, das mit dem Verfahren hergestellt ist.Vorteilhaferweise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbesserte Hafteigenschaften zwischen Aktivpartikeln und Polymer erzielt werden und die Erzeugung einer speziell auf die Elektrode angepassten Netzwerkstruktur während der Elektrodenpräparation erlaubt den Einsatz geringerer Mengen des Binders und verbessern so die Performance der resultierenden Elektrode.The invention relates to a method for producing a cathode material (1) for a lithium-ion battery comprising cathode active material (2), polymeric binder and optionally a guide additive, comprising the steps: - Mixing cathode active material, polymeric binder and optionally a guide additive in a liquid solvent and - Optional application of the mixture to an electrode carrier to form a cathode. According to the invention, the cathode active material is surface-modified with monomers (3) of the polymeric binder. The invention further relates to a cathode which comprises a cathode material which is produced by the method. Advantageously, the method according to the invention can be used to achieve improved adhesive properties between active particles and polymer and the generation of a network structure which is specially adapted to the electrode during the electrode preparation permits the use of fewer Amounts of the binder and thus improve the performance of the resulting electrode.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von einem Kathodenmaterial für Lithium-Ionen Batterien, welche insbesondere als Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen Verwendung finden, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a method for producing a cathode material for lithium-ion batteries, which are used in particular as traction batteries in electric vehicles, with the features of the preamble of patent claim 1.

Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien ist die Produktion von Elektrodensheets ein wichtiger Prozess. Dabei werden Mischungen aus Aktivmaterial, Leitzusätzen und Bindern auf ein elektrisch leitendes Trägermaterial aufgebracht. Der Binder ist notwendig, um die innere Kohäsion und Adhäsion der Elektrodenmasse zu gewährleisten, stellt an sich aber ein inaktives Material dar. Nach Möglichkeit wird so wenig Binder wie möglich eingesetzt, um die strukturelle Integrität und das Aufrechterhalten guter Kontakteigenschaften zu gewährleisten. Jegliche Verbesserung der Bindereigenschaften erlaubt eine weitere Reduzierung dieses inaktiven Anteils.The production of electrode sheets is an important process in the manufacture of lithium-ion batteries. Mixtures of active material, additives and binders are applied to an electrically conductive carrier material. The binder is necessary to ensure the internal cohesion and adhesion of the electrode mass, but is in itself an inactive material. If possible, as little binder as possible is used to ensure the structural integrity and the maintenance of good contact properties. Any improvement in the binder properties allows a further reduction of this inactive fraction.

Im Stand der Technik ist die Oberflächenmodifikation von Elektrodenmaterialien bekannt, insbesondere im Bereich von Silizium-Anodenmaterialien. Häufig werden hierzu polare Gruppen wie zum Beispiel OH-Gruppen auf die Oberfläche der Partikel gebracht, um eine verbesserte Wechselwirkung mit dem Binder zu erzielen. Die bekannten Lösungen basieren oft auf eher leichten polaren Wechselwirkungen wie zum Beispiel Wasserstoffbrückenbindungen. Oft sind die Lösungen auch sehr spezifisch auf Einzelfälle angepasst, wobei die meisten dieser Fälle Siliziumanoden beinhalten. Siliziumanoden stellen einen Sonderfall dar, da sie eine weitaus höhere Volumenänderung während der Zellreaktion erfahren. Es ergibt sich ein größerer mechanischer Stress in der Elektrode, weshalb viele Konzepte zur Verbesserung des Binderkontaktes auf Siliziumanoden abzielen. Eine Anwendung dieser Konzepte auf etablierte Kathodenmaterialien ist jedoch schwierig.The surface modification of electrode materials is known in the prior art, in particular in the area of silicon anode materials. Often, polar groups such as OH groups are brought onto the surface of the particles in order to achieve an improved interaction with the binder. The known solutions are often based on rather light polar interactions such as hydrogen bonds. The solutions are often also very specifically adapted to individual cases, most of which contain silicon anodes. Silicon anodes are a special case because they experience a much higher change in volume during the cell reaction. There is a greater mechanical stress in the electrode, which is why many concepts for improving the binder contact are aimed at silicon anodes. However, it is difficult to apply these concepts to established cathode materials.

Es ist auch bekannt, dass Aktivmaterialpartikel mit bestehenden Binderpolymeren beschichtet werden, jedoch im Wesentlichen zum Schutz der Materialien vor Feuchtigkeits- und Kohlendioxidaufnahme. So beschreibt die amerikanische Veröffentlichungsschrift US 2014/0079996 A1 ein Verfahren zur Verbesserung von Kathodenmaterialien für Lithiumbatterien vor Umwelteinflüssen. Hierzu werden Bindermaterialien wie PVDF und PTFE mit den Kathodenaktivmaterialien gemischt oder darauf beschichtet.It is also known that active material particles are coated with existing binder polymers, but essentially to protect the materials from moisture and carbon dioxide absorption. This is how the American publication describes US 2014/0079996 A1 a method for improving cathode materials for lithium batteries from environmental influences. For this purpose, binder materials such as PVDF and PTFE are mixed with or coated on the cathode active materials.

Weiterhin beschreibt die DE 10 2016 224 382 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenpaste für eine Elektrode einer Lithium-Ionen-Zelle. Zunächst wird in einem Schritt a) ein Aktivmaterial der Elektrode zusammen mit wenigstens einem Leitzusatz, wie insbesondere Graphit und/oder Leitruß, mit einem ersten Bindemittel trocken gemischt. Anschließend wird eine erste Menge des Wassers zum Herstellen der Pastenmasse in einem Schritt b) hinzugefügt. In einem darauffolgenden Schritt c) wird diese Pastenmasse geknetet, insbesondere hart geknetet. Bevorzugt wird die Pastenmasse derart lange geknetet und die erste Menge von Wasser derart bemessen, dass aus der Pastenmasse beim Kneten eine oder zwei Knetkugeln entstehen. Dies ist dann ein Hinweis darauf, dass alle Bestandteile der Pastenmasse optimal beziehungsweise homogen vermischt sind. Anschließend wird wenigstens eine zweite Menge von Wasser hinzugefügt und die Pastenmasse mit dem Wasser in einem folgenden Schritt e) gemischt. Nach erfolgter ausreichender Durchmischung wird in einem Schritt f) ein zweites Bindemittel hinzugefügt und das Gemisch daraufhin im Schritt g) weiter gemischt. Hierdurch entsteht die vorteilhafte Elektrodenpaste. Der Pastenmasse kann eine Säure, insbesondere Schwefelsäure, Polyacryl-Co-maleinsäure, Polyacryl-Säure, Algen-Säure oder Zitronen-Säure hinzugefügt werden. Durch das Hinzufügen der Säure wird erreicht, dass der pH-Wert der Pastenmasse reduziert wird. Dadurch können Kathodenaktivmaterialien mit einem hohen Nickelgehalt in einer Elektrodenpaste verarbeitet werden, ohne dass der pH-Wert einen kritischen Wert überschreitet, der dazu führen könnte, dass die Trägerfolie bereits in der Zeit zwischen der Beschichtung der Trägerfolie mit der Elektrodenpaste und dem Trocknen korrodiert.Furthermore describes the DE 10 2016 224 382 A1 a method for producing an electrode paste for an electrode of a lithium-ion cell. In a step a), an active material of the electrode is first dry-mixed with a first binder together with at least one conductive additive, such as, in particular, graphite and / or conductive carbon black. Then a first amount of the water for producing the paste mass is added in a step b). In a subsequent step c), this paste mass is kneaded, in particular hard kneaded. The paste mass is preferably kneaded for such a long time and the first amount of water is dimensioned such that one or two kneading balls result from the paste mass during kneading. This is an indication that all components of the paste mass are mixed optimally or homogeneously. Then at least a second amount of water is added and the paste mass is mixed with the water in a subsequent step e). After sufficient mixing has taken place, a second binder is added in step f) and the mixture is then mixed further in step g). This creates the advantageous electrode paste. An acid, in particular sulfuric acid, polyacrylic co-maleic acid, polyacrylic acid, algae acid or citric acid can be added to the paste composition. By adding the acid, the pH of the paste mass is reduced. As a result, cathode active materials with a high nickel content can be processed in an electrode paste without the pH value exceeding a critical value which could lead to the carrier film corroding in the time between the coating of the carrier film with the electrode paste and the drying.

Für Kathodenmaterialien liegt der Fokus von Beschichtungen und Oberflächenmodifikationen daher vor Allem auf dem Gebiet der Schutzfunktion oder Verbesserung der kinetischen Eigenschaften. Die Adhäsion zum Bindermaterial wird in diesem Zusammenhang weitestgehend vernachlässigt. Gerade bei Kathodenmaterialien mit höherer Volumenausdehnung besteht noch Verbesserungspotential.For cathode materials, the focus of coatings and surface modifications is therefore above all in the area of the protective function or improvement of the kinetic properties. In this context, the adhesion to the binder material is largely neglected. There is still room for improvement, particularly in the case of cathode materials with a larger volume expansion.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Kathodenmaterials zur Verfügung zu stellen. Das Verfahren soll mit einfachen Schritten in bestehenden Verfahren integrierbar sein und in der Herstellung von Kathodenmaterialien übliche Substanzen verwenden. Zudem soll das Verfahren leicht ausführbar sein und die Anzahl der zusätzlichen Schritte gegenüber dem Stand der Technik sollen möglichst gering sein. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Kathodenmaterial, hergestellt mit einem einfachen Verfahren, bereit zu stellen, das eine verbesserte Hafteigenschaft des Binders aufweist und eine Reduzierung des Binderanteils in der resultierenden Elektrode ermöglicht. Hierdurch sollen effizientere Zellen hergestellt werden können und die Stabilitätseigenschaften des Materials sowie der resultierenden Elektroden und Zellen, die das Kathodenmaterial enthalten, sollen trotz geringerem Binderanteil verbessert werden.The object of the present invention is therefore to provide a method for producing an improved cathode material. The process should be able to be integrated into existing processes with simple steps and should use substances customary in the production of cathode materials. In addition, the method should be easy to carry out and the number of additional steps compared to the prior art should be as small as possible. It is a further object of the present invention to provide an improved cathode material, produced by a simple process, which has an improved adhesive property of the binder and enables a reduction in the proportion of binder in the resulting electrode. This should make it possible to produce more efficient cells and the stability properties of the material and the resulting electrodes and Cells containing the cathode material should be improved despite the lower proportion of binder.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenmaterials mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved according to the invention by a method for producing a cathode material with the features of patent claim 1.

Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenmaterials für eine Lithium-Ionen-Batterie umfassend Kathodenaktivmaterial, polymeren Binder und gegebenenfalls Leitzusatz, umfassend die Schritte:

  • - Mischen von Kathodenaktivmaterial, polymerem Binder und gegebenenfalls Leit-zusatz in einem flüssigen Lösungsmittel und
  • - optional Aufbringen der Mischung auf einen Elektrodenträger zur Ausbildung einer Kathode.
Erfindungsgemäß wird das Kathodenaktivmaterial mit Monomeren des polymeren Binders oberflächenmodifizi ert.The invention comprises a method for producing a cathode material for a lithium-ion battery comprising cathode active material, polymeric binder and optionally a guide additive, comprising the steps:
  • - Mixing cathode active material, polymeric binder and optionally a conductive additive in a liquid solvent and
  • - Optional application of the mixture on an electrode carrier to form a cathode.
According to the invention, the cathode active material is surface-modified with monomers of the polymeric binder.

Unter dem Begriff der Oberflächenmodifizierung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden, dass Monomere des polymeren Binders mit den Partikeln des Kathodenaktivmaterials derart in Kontakt gebracht werden, dass die Monomere an die Oberfläche der Partikel gebunden werden. Die Bindung der Monomere an die Oberfläche erfolgt bevorzugt über die Knüpfung einer kovalenten Bindung. Beispielsweise können Acrylsäuremonomere über eine Kondensationsreaktion mit den an der Oberfläche von Lithiumcobaltoxid-Partikeln vorhandenen OH-Gruppen kovalent verbunden werden. Aber auch andere Reaktionstypen wie beispielsweise eine radikalische Reaktion sind einsetzbar und werden abgestimmt auf die funktionellen Gruppen an der Oberfläche des Kathodenaktivmaterials einerseits und die funktionellen Gruppen des Monomers andererseits ausgewählt.In the context of the present invention, the term surface modification is understood in particular to mean that monomers of the polymeric binder are brought into contact with the particles of the cathode active material in such a way that the monomers are bound to the surface of the particles. The monomers are preferably bound to the surface via the formation of a covalent bond. For example, acrylic acid monomers can be covalently linked to the OH groups present on the surface of lithium cobalt oxide particles via a condensation reaction. However, other types of reactions such as a radical reaction can also be used and are selected to match the functional groups on the surface of the cathode active material on the one hand and the functional groups of the monomer on the other.

Nach dem Schritt der Oberflächenmodifikation kann dann das erfindungsgemäß modifizierte Kathodenaktivmaterial in die Polymerisationsreaktion des Binders, beispielsweise der innerhalb Elektrodenslurry, einbezogen werden. Auf diese Weise werden mithin die Oberflächenfunktionen des Kathodenaktivmaterials beziehungsweise der Kathodenaktivmaterialpartikel fest in die Polymerstruktur des Binders eingebunden und es wird somit ein quervernetztes Polymernetzwerk ausgebildet, das kovalent an die Aktivpartikel der Kathode gebunden ist. Der Zeitpunkt der gemeinsamen Polymerisation von oberflächenmodifiziertem Kathodenaktivmaterial und Binder kann frei gewählt werden und einige Varianten des Vorgehens werden im Folgenden noch weiter ausgeführt.After the step of surface modification, the cathode active material modified according to the invention can then be included in the polymerization reaction of the binder, for example that within the electrode slurry. In this way, the surface functions of the cathode active material or the cathode active material particles are thus firmly integrated into the polymer structure of the binder, and a cross-linked polymer network is thus formed which is covalently bound to the active particles of the cathode. The time of the joint polymerization of surface-modified cathode active material and binder can be chosen freely, and some variants of the procedure are explained in the following.

Durch den Schritt der Oberflächenmodifizierung des Kathodenaktivmaterials mit Monomere des polymeren Binders kann eine Verknüpfung mit dem Netzwerk des Binders erreicht werden. Durch die damit verbundene bessere Anbindung des Kathodenaktivmaterials an den Binder ist es möglich, den Anteil an Binder in dem erfindungsgemäßen Kathodenmaterial gering zu halten und damit den inaktiven Anteil an einer resultierenden Elektrode zu senken. Gleichzeitig wird erreicht, dass eine verbesserte Langzeitstabilität erzielt werden kann. Daneben wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren nur ein zusätzlicher Schritt benötigt, der mit üblichen Geräten und mit den für die Herstellung von Kathodenmaterialien üblichen Komponenten und Reaktionsbedingungen ausgeführt werden kann. Damit kann eine effiziente Herstellung sichergestellt werden.The step of modifying the surface of the cathode active material with monomers of the polymeric binder can be linked to the network of the binder. The associated better connection of the cathode active material to the binder makes it possible to keep the proportion of binder in the cathode material according to the invention low and thus to reduce the inactive proportion of a resulting electrode. At the same time, it is achieved that improved long-term stability can be achieved. In addition, only one additional step is required in the process according to the invention, which can be carried out with conventional equipment and with the components and reaction conditions customary for the production of cathode materials. This ensures efficient production.

Mit anderen Worten beruht die vorliegende Erfindung auf dem Kerngedanken, Monomerbestandteile der verwendeten Polymerbinder durch Oberflächenmodifikation an die Aktivpartikel kovalent zu binden und mit der Polymerstruktur zu verknüpfen. Die dadurch gewonnenen verbesserten Hafteigenschaften des Binders erlauben eine Reduzierung des Binderanteils in der Elektrode und verbessern die Eigenschaften der resultierenden Elektrode.In other words, the present invention is based on the core idea of covalently binding monomer constituents of the polymer binders used to the active particles by surface modification and linking them to the polymer structure. The resultant improved adhesive properties of the binder allow a reduction in the proportion of binder in the electrode and improve the properties of the resulting electrode.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Oberflächenmodifizierung des Kathodenaktivmaterials in einem vorbereitenden Schritt ausgeführt.In one embodiment of the invention, the surface modification of the cathode active material is carried out in a preparatory step.

Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine gezielte, ausreichende Oberflächenmodifizierung und mithin eine Verknüpfung von Monomeren des polymeren Binders auf der Oberfläche der Kathodenmaterialien stattfindet.In this way it can be ensured that a targeted, adequate surface modification and thus a linking of monomers of the polymeric binder takes place on the surface of the cathode materials.

In einer Ausführungsform der Erfindung können in dem Schritt des Mischens von Kathodenaktivmaterial, polymerem Binder und gegebenenfalls Leitzusatz in einem flüssigen Lösungsmittel weitere Monomere des polymeren Binders zugegeben werden.In one embodiment of the invention, further monomers of the polymeric binder can be added in the step of mixing cathode active material, polymeric binder and, if appropriate, conductive additive in a liquid solvent.

Hierdurch kann gezielt gesteuert werden, dass eine optimale Vernetzung der Monomere auf der Oberfläche des Kathodenaktivmaterials und des Binders, sogar unter Einbeziehung des optionalen Leitzusatzes, erzielt wird. Der Grad der Vernetzung ist ein wichtiger Parameter in der Steuerung der mechanischen und chemischen Eigenschaften des resultierenden Materials.In this way it can be controlled in a targeted manner that an optimal crosslinking of the monomers on the surface of the cathode active material and the binder is achieved, even with the inclusion of the optional guide additive. The degree of cross-linking is an important parameter in the control of the mechanical and chemical properties of the resulting material.

In einer weiteren Ausgestaltung es erfindungsgemäßen Verfahrens wird das oberflächenmodifizierte Kathodenaktivmaterial in einem getrennten Schritt mit dem Binder polymerisiert.In a further embodiment of the method according to the invention, the surface-modified cathode active material is polymerized with the binder in a separate step.

In dieser Ausgestaltung erfolgt die Polymerisation des oberflächenmodifizierten Kathodenaktivmaterials mit dem Binder vor oder nach dem Mischen mit den anderen Komponenten.In this embodiment, the surface-modified is polymerized Active cathode material with the binder before or after mixing with the other components.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das oberflächenmodifizierte Kathodenaktivmaterial während des Mischens mit den anderen Komponenten mit dem Binder polymerisiert.In a further preferred embodiment of the invention, the surface-modified cathode active material is polymerized with the binder during mixing with the other components.

Wird die Polymerisation zwischen Aktivmaterial und Binder getrennt durchgeführt, ist eine weitere Prozessierung des Materials zu einer Slurry nötig. Des Weiteren werden Leitzusätze in der Elektrode bei dieser Ausgestaltung noch stärker in das Polymernetzwerk eingebunden. Die nötige Menge an Binderpolymer ist zudem bei dieser Methode noch niedriger. Wird das bereits bestehende Polymer erst nachträglich mit dem Aktivpartikel verknüpft, ergeben sich durch die bereits vorgegebene Struktur und Kettenlänge des Binders weniger Möglichkeiten zur Netzwerkbildung. Wird die Polymerisation dagegen in der fertigen Mischung gemäß der bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens durchgeführt, passt sich das hierbei ausgebildete Netzwerk den vorhandenen Partikeln besser an.If the polymerization between active material and binder is carried out separately, further processing of the material into a slurry is necessary. In addition, lead additives in the electrode are more strongly integrated into the polymer network in this embodiment. The amount of binder polymer required is also lower with this method. If the existing polymer is only subsequently linked to the active particle, the structure and chain length of the binder which have already been predefined result in fewer opportunities for network formation. If, on the other hand, the polymerization is carried out in the finished mixture in accordance with the preferred embodiment of the process, the network formed here adapts better to the particles present.

Das Kathodenaktivmaterial kann bevorzugt ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend Lithiumcobaltoxid (LCO), Lithiummanganoxid (LMO), Lithiumnickelmanganoxide (LNMO), Lithiumnickelmangancobaltoxid (NMC), Lithiumnickelaluminium-cobaltoxid (NCA), Lithiumeisenphosphat (LFP) und Lithiumcobaltphosphat (LCP), und liegt insbesondere als Partikel vor.The cathode active material can preferably be selected from the group comprising lithium cobalt oxide (LCO), lithium manganese oxide (LMO), lithium nickel manganese oxides (LNMO), lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), lithium nickel aluminum cobalt oxide (NCA), lithium iron phosphate (LFP) and lithium cobalt phosphate (LCP), in particular as particles.

Mit anderen Worten ist es vorteilhafterweise möglich, für Lithium-Ionen Batterien typische Kathodenmaterialien wie z.B: Lithiumcobaltoxid (LCO), Lithiummanganoxid (LMO), Lithiumnickelmanganoxide (LNMO) mit unterschiedlichen Nickel/Mangan Verhältnissen, Lithiumnickelmangancobaltoxid (NMC) mit unterschiedlichen Übergangsmetallverhältnissen, Lithiumnickelaluminiumcobaltoxid (NCA) mit unterschiedlichen Übergangsmetallverhältnissen, Lithiumeisenphosphat (LFP) oder Lithiumcobaltphosphat (LCP) in dem erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzen, sogar ohne die Materialen speziell für die Oberflächenmodifizierung mit dem Monomer des polymeren Binders chemisch zu verändern.In other words, it is advantageously possible to use cathode materials typical of lithium-ion batteries such as: lithium cobalt oxide (LCO), lithium manganese oxide (LMO), lithium nickel manganese oxides (LNMO) with different nickel / manganese ratios, lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) with different transition metal ratios, lithium nickel aluminum cobalt oxide (NCA ) with different transition metal ratios, lithium iron phosphate (LFP) or lithium cobalt phosphate (LCP) in the process according to the invention, even without chemically changing the materials specifically for the surface modification with the monomer of the polymeric binder.

Der Binder ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polyvinylidendifluorid (PvdF), Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien Kautschuck (SBR), Polyacrylsäure (PAA), Polyacrylamid (PAM), Polymethylmethacrylat (PMMA), Alginate, Xanthan, Gellan und Guaran.In a preferred embodiment of the invention, the binder is selected from the group comprising polyvinylidene difluoride (PvdF), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylic acid (PAA), polyacrylamide (PAM), polymethyl methacrylate (PMMA), alginates, xanthan , Gellan and Guaran.

Mit anderen Worten ist es vorteilhafterweise möglich, für Lithium-Ionen Batterien typische Binderpolymere in dem erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzen, sogar ohne dass die Binderpolymere chemisch speziell verändert sind, um mit den Monomeren auf der Oberfläche des Kathodenmaterials reagieren zu können.In other words, it is advantageously possible to use binder polymers typical of lithium-ion batteries in the process according to the invention, even without the binder polymers having been chemically specifically modified in order to be able to react with the monomers on the surface of the cathode material.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Kathodenaktivmaterial Lithiumcobaltoxidpatikel und die Monomeren sind Acrylsäure-Monomeren.In a further preferred embodiment of the invention, the cathode active material comprises lithium cobalt oxide particles and the monomers are acrylic acid monomers.

Diese Ausführungsform wird in den folgenden Figuren näher beschrieben.This embodiment is described in more detail in the following figures.

Die Erfindung umfasst weiterhin eine Kathode für Lithium-Ionen-Batterien umfassend ein Kathodenmaterial, welches gemäß des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.The invention further comprises a cathode for lithium-ion batteries comprising a cathode material which is produced in accordance with the inventive method described above.

Die verbesserten Hafteigenschaften zwischen Aktivpartikeln und Polymer und die Erzeugung einer speziell auf die Elektrode angepassten Netzwerkstruktur während der Elektrodenpräparation erlauben den Einsatz geringerer Mengen des Binders und verbessern so die Performance der resultierenden Elektrode.The improved adhesive properties between active particles and polymer and the creation of a network structure specially adapted to the electrode during electrode preparation allow the use of smaller amounts of the binder and thus improve the performance of the resulting electrode.

Die Erfindung ermöglicht die Verbesserung der Performance von Batterieelektroden zur Anwendung in der Zellfertigung. Durch die Strukturierung kann die Leistungsfähigkeit oder Schnellladefähigkeit der Batteriezellen verbessert werden. Die verbesserten Elektroden und die anschließend gefertigten Zellen können in allen momentanen und zukünftigen Anwendungsfeldern der Lithium Ionen Batterie Einsatz finden. Dazu gehören unter anderem Tranktionsbatterien von Fahrzeugen, consumer electronics und Mikroelektronikanwendungen sowie stationäre Energiespeicher.The invention enables the improvement of the performance of battery electrodes for use in cell production. The structuring can improve the performance or rapid charging capacity of the battery cells. The improved electrodes and the subsequently manufactured cells can be used in all current and future fields of application of the lithium ion battery. These include, among other things, car batteries, consumer electronics and microelectronic applications as well as stationary energy storage.

Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, das auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden darf eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnungen und den dazugehörigen Beschreibungen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigt:

  • 1 in einer stark schematisierten Darstellung eine beispielhafte Oberflächenmodifizierung eines Kathodenmaterials in Partikelform, und
  • 2 in einer stark schematisierten Darstellung eine beispielhafte Polymerisation von oberflächengebundenem Monomerbestandteil und Binder.
There are a variety of ways to develop and develop this. For this purpose, reference may first be made to the claims subordinate to claim 1. A preferred embodiment of the invention may be explained in more detail below with reference to the drawings and the associated descriptions. In the drawings:
  • 1 a highly schematic representation of an exemplary surface modification of a cathode material in particle form, and
  • 2nd in a highly schematic representation, an exemplary polymerization of surface-bound monomer component and binder.

In 1 ist eine mögliche Oberflächenmodifikation am Beispiel von Lithiumcobaltoxid als Kathodenaktivmaterial 2 in Partikelform und Polyacrylsäure-Monomeren 3 gezeigt. Das Monomer der Polyacrylsäure3 kann über eine Kondensationsreaktion mit natürlichen OH-Gruppen auf der Oberfläche des Partikels 2 reagieren und so eine kovalente Bindung ausbilden. Anschließend wird das Aktivmaterial beispielsweise mit den übrigen Elektrodenbestandteilen sowie weiteren Bindermonomeren in einer Slurry verarbeitet und die für das Polymer spezifische Polymerisierung durchgeführt. In 1 is a possible surface modification using the example of lithium cobalt oxide as cathode active material 2nd in particle form and polyacrylic acid monomers 3rd shown. The monomer of polyacrylic acid 3rd can occur via a condensation reaction with natural OH groups on the surface of the particle 2nd react and thus form a covalent bond. The active material is then processed in a slurry, for example with the other electrode components and further binder monomers, and the polymerisation specific to the polymer is carried out.

In 2 ist schematisch für das in 1 gezeigte Beispiel von Lithiumcobaltoxid als Kathodenaktivmaterial 2 in Partikelform und Polyacrylsäure die Polymerisation durch Zugabe eines peroxidischen Radikalstarters 4 beispielhaft dargestellt. Die Polymerisation kann über peroxidische Radikalstarter 4 initiiert werden. Die C-C-Doppelbindung wird dabei unter Ausbildung eines Kohlenstoffradikals aufgetrennt. Das neu entstandene Radikal kann in identischer Weise mit weiteren Acrylsäuremonomeren 3 beziehungsweise Acrylatmodifikationen 3 auf der Partikeloberfläche 2 reagieren. Die Polymerisation in der Slurry oder dem Elektrodensheet verknüpft dabei bestehende Partikel und schließt auch andere Bestandteile, wie zum Beispiel Leitzusätze mit im gebildeten Netzwerk ein.In 2nd is schematic for that in 1 shown example of lithium cobalt oxide as cathode active material 2nd in particle form and polyacrylic acid the polymerization by adding a peroxidic radical initiator 4th shown as an example. The polymerization can be initiated via peroxidic radical initiators 4th be initiated. The CC double bond is separated to form a carbon radical. The newly created radical can be used in an identical manner with other acrylic acid monomers 3rd or acrylate modifications 3rd on the particle surface 2nd react. The polymerization in the slurry or the electrode sheet links existing particles and also includes other components, such as additives, for example, in the network formed.

Sofern der Polymerisationsmechanismus dies erlaubt, zum Beispiel bei einer Radikalpolymerisation angeregt durch Licht, kann die Polymerisation auch in der noch feuchten, gezogenen Elektrode erfolgen. Andere Mechanismen, die zum Beispiel mit der Zugabe des Initiators bereits starten, sind schwieriger in der gezogenen Elektrode durchzuführen. Je nach Polymerisationsreaktion sind zudem die Reaktionsbedingungen in der Elektrode zu kontrollieren. Im gezeigten Beispiel wird unter anderem eine Kondensationsreaktion beziehungsweise Veresterung der Hydroxygruppen des Aktivmaterials mit der Carboxygruppe des Monomers durchgeführt. Hier wird zunächst im sauren Medium gearbeitet und die Slurry der Elektrodenpastenherstellung muss dann neutralisiert werden.If the polymerization mechanism allows this, for example in the case of radical polymerization excited by light, the polymerization can also take place in the still wet, drawn electrode. Other mechanisms that start with the addition of the initiator, for example, are more difficult to carry out in the drawn electrode. Depending on the polymerization reaction, the reaction conditions in the electrode must also be checked. In the example shown, a condensation reaction or esterification of the hydroxyl groups of the active material with the carboxy group of the monomer is carried out, among other things. Here the acidic medium is used first and the slurry of the electrode paste production must then be neutralized.

Mit anderen Worten sieht die Erfindung vor, etablierte Kathodenmaterialien durch Oberflächenmodifikation mit den Monomeren der für sie typischen Binderpolymere zu verknüpfen. Während der Elektrodenslurrypräparation können dann zusätzliche Monomerbestandteile hinzu gegeben werden und das Binderpolymer in Anwesenheit aller Zellbestandteile ausgebildet. Dabei werden die Oberflächenfunktionen der Kathodenpartikel fest in die Polymerstruktur des Binders eingebunden und somit ein quervernetztes Polymernetzwerk ausgebildet, das kovalent an die Aktivpartikel der Kathode gebunden ist. Die dadurch gewonnenen verbesserten Hafteigenschaften des Binders erlauben eine Reduzierung des Binderanteils in der Elektrode und verbessern die Eigenschaften der resultierenden Elektrode.In other words, the invention provides for linking established cathode materials to the monomers of the binder polymers typical of them by surface modification. Additional monomer components can then be added during the electrode slurry preparation and the binder polymer can be formed in the presence of all cell components. The surface functions of the cathode particles are firmly integrated into the polymer structure of the binder and thus a cross-linked polymer network is formed which is covalently bound to the active particles of the cathode. The resultant improved adhesive properties of the binder allow a reduction in the proportion of binder in the electrode and improve the properties of the resulting electrode.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
KathodenmaterialCathode material
22nd
KathodenaktivmaterialpartikelParticles of cathode active material
33rd
MonomerMonomer
44th
RadikalstarterRadical starter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • DE 102016224382 A1 [0005]DE 102016224382 A1 [0005]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines Kathodenmaterials (1) für eine Lithium-Ionen-Batterie umfassend Kathodenaktivmaterial (2), polymeren Binder und gegebenenfalls Leitzusatz, umfassend die Schritte: - Mischen von Kathodenaktivmaterial, polymerem Binder und gegebenenfalls Leitzusatz in einem flüssigen Lösungsmittel und - optional Aufbringen der Mischung auf einen Elektrodenträger zur Ausbildung einer Kathode, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenaktivmaterial mit Monomeren (3) des polymeren Binders oberflächenmodifiziert wird.A method for producing a cathode material (1) for a lithium-ion battery comprising cathode active material (2), polymeric binder and optionally lead additive, comprising the steps: - Mixing cathode active material, polymeric binder and optionally lead additive in a liquid solvent and - optionally applying the Mixture on an electrode carrier to form a cathode, characterized in that the cathode active material is surface-modified with monomers (3) of the polymeric binder. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmodifizierung des Kathodenaktivmaterials (2) in einem vorbereitenden Schritt ausgeführt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the surface modification of the cathode active material (2) is carried out in a preparatory step. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt des Mischens von Kathodenaktivmaterial, polymerem Binder und gegebenenfalls Leitzusatz in einem flüssigen Lösungsmittel weitere Monomere (3) des polymeren Binders zugegeben werden.Procedure according to Claim 1 or 2nd , characterized in that further monomers (3) of the polymeric binder are added in the step of mixing the cathode active material, the polymeric binder and optionally the conductive additive in a liquid solvent. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oberflächenmodifizierte Kathodenaktivmaterial in einem getrennten Schritt mit dem Binder polymerisiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface-modified cathode active material is polymerized with the binder in a separate step. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation des oberflächenmodifizierten Kathodenaktivmaterials mit dem Binder vor oder nach dem Mischen mit den anderen Komponenten erfolgt.Procedure according to Claim 4 , characterized in that the polymerization of the surface-modified cathode active material with the binder takes place before or after mixing with the other components. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das oberflächenmodifizierte Kathodenaktivmaterial während des Mischens mit den anderen Komponenten mit dem Binder polymerisiert wird.Method according to one of the preceding Claims 1 to 3rd , characterized in that the surface-modified cathode active material is polymerized with the binder during mixing with the other components. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenaktivmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Lithiumcobaltoxid (LCO), Lithiummanganoxid (LMO), Lithiumnickelmanganoxide (LNMO), Lithiumnickelmangancobaltoxid (NMC), Lithiumnickelaluminium-cobaltoxid (NCA), Lithiumeisenphosphat (LFP) und Lithiumcobaltphosphat (LCP), und dass das Kathodenaktivmaterial insbesondere als Partikel vorliegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode active material is selected from the group comprising lithium cobalt oxide (LCO), lithium manganese oxide (LMO), lithium nickel manganese oxides (LNMO), lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), lithium nickel aluminum cobalt oxide (NCA), lithium iron phosphate (LFP) and lithium cobalt phosphate (LCP), and that the cathode active material is present in particular as particles. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polyvinylidendifluorid (PvdF), Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien Kautschuck (SBR), Polyacrylsäure (PAA), Polyacrylamid (PAM), Polymethylmethacrylat (PMMA), Alginate, Xanthan, Gellan und Guaran.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the binder is selected from the group comprising polyvinylidene difluoride (PvdF), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylic acid (PAA), polyacrylamide (PAM), polymethyl methacrylate (PMMA ), Alginates, xanthan, gellan and guaran. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenaktivmaterial Lithiumcobaltoxidpatikel umfasst und die Monomeren Acrylsäure-Monomeren sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode active material comprises lithium cobalt oxide particles and the monomers are acrylic acid monomers. Kathode für Lithium-Ionen-Batterien umfassend Kathodenmaterial, welches hergestellt ist nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 9.Cathode for lithium-ion batteries comprising cathode material which is produced by a method of Claims 1 to 9 .
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