DE102019104206A1

DE102019104206A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode für einen Akkumulator

Info

Publication number: DE102019104206A1
Application number: DE102019104206.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Deutmeyer; Klaus Brandt
Original assignee: Monbat New Power GmbH
Current assignee: Monbat New Power GmbH
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2020-08-20
Also published as: EP3928365A1; US20220140305A1; WO2020169240A1; KR20210126021A; JP2022521582A; CN113498557A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für einen Akkumulator, wobei mittels einem Extrusionsverfahrens eine Elektrodenmasse auf einen Träger, insbesondere einer Metallfolie, aufgetragen wird. Die Elektrodenmasse wird im Rahmen des Extrusionsverfahrens mittels einer Fördereinrichtung durch eine Extrusionsdüse gefördert. Die Elektrodenmasse wird in einer Mischeinrichtung angemischt und von der Mischeinrichtung an die Fördereinrichtung abgegeben, wobei Schwankungen des von der Mischeinrichtung an die Fördereinrichtung abgegebenen Mengenstroms an Elektrodenmasse ausgeglichen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode für einen Akkumulator nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Verfahren der in Rede stehenden Art ist es gemein, dass zur Herstellung einer Elektrode zunächst eine Elektrodenmasse auf einen Träger aufgetragen wird. Das Auftragen dieser Elektrodenmasse, die - je nach weiterem Verfahren - mittels nachgelagerter Verfahrensschritte, insbesondere Trocknungsschritte, Extraktionsschritte und/oder Schritte zur Infiltration mit einem geeigneten Elektrolyten, zu einer Elektrode weiterverarbeitet wird. Die Elektrodenmasse kann aus einer Mehrzahl Komponenten bestehen. Hierbei stellt sich das Auftragen der Elektrodenmasse auf den Träger als nicht trivialer und für die Qualität des resultierenden Akkumulators relevanter Schritt dar. Die Träger, bei denen es sich insbesondere um Metallfolien handeln kann, werden bei fertigen Akkumulatoren häufig zu einer Vielzahl Schichten aufgewickelt bzw. gefaltet und/oder gestapelt. Es müssen daher dünne Schichten der Elektrodenmasse mit einer hohen Gleichmäßigkeit aufgetragen werden.
Im großtechnischen Maßstab erfolgt dies überwiegend durch das sogenannte „Nassverfahren“. Hierbei wird eine Masse, die bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen bereits sehr dünnflüssig ist, angerührt. Diese wird dann, in der Regel durch Schlitzdüsen und bei Raumtemperatur, auf einen Träger aufgetragen.
Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass die benötigte Viskosität der aufzutragenden Masse mittels Lösungsmitteln hergestellt wird. Bei dem Lösungsmittel kann es sich beispielsweise um N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) handeln. Die so erzielten Massen „slurries“ weisen zwar gute Eigenschaften im Hinblick auf den Auftrag auf den Träger auf, die Lösungsmittel müssen jedoch danach aus der Elektrodenmasse entfernt werden. Durch die Verwendung der Lösungsmittel entstehen Umwelt- bzw. Gesundheitsrisiken, die unerwünscht sind. Insbesondere vor dem Hintergrund immer strenger werdender Umweltvorschriften ist es daher wünschenswert, ein Verfahren zu finden, welches den Einsatz derartiger schädlicher Lösungsmittel überflüssig macht oder zumindest reduziert.
In der DE 10 2004 012 476 A1 ist daher beispielsweise ein Verfahren offenbart, bei dem eine Elektrodenmasse bei erhöhter Temperatur unter Verwendung eines Fließhilfsmittels unter weitestgehendem Verzicht auf Lösungsmittel hergestellt und auf einen Träger aufgetragen wird. Dies geschieht durch die Verwendung eines sogenannten Doppelwellenextruders. Dieser ist beheizbar. Diese weisen sehr hohe Scherraten auf. Hierdurch können sie eine hinreichende Vermischung auch vergleichsweise zähflüssiger Materialien herbeiführen. Daher sind derartige Doppelwellenextruder in der Lage, wenn ihnen die Bestandteile der Elektrodenmasse zugeführt werden, diese zunächst zu einer hinreichend homogenen Mischung zu verarbeiten und dann diese Masse durch eine ebenfalls beheizbare Extrusionsdüse zu fördern, mittels derer die Masse auf den Träger aufgetragen werden kann.
In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass der Mengenstrom der vom Doppelwellenextruder abgegebenen Elektrodenmasse zeitlichen Schwankungen unterliegt. Dies ist der Bauweise eines derartigen Doppelwellenextruders, der bei diesem Prozess als Misch- und Fördereinrichtung wirkt, geschuldet. Die aus den Schwankungen resultierenden Ungleichmäßigkeiten beim Auftrag der Elektrodenmasse auf den Träger standen bisher einer großtechnischen Anwendung dieses Verfahrens entgegen.
Aus der EP 2 744 019 A1 ist ebenfalls ein Verfahren für die Herstellung einer Elektrode bekannt, bei dem schädliche Lösungsmittel - zumindest weitestgehend - vermieden werden. Bei diesem Verfahren wird jedoch zunächst ein Formmaterial in Gestalt extrudierter Pellets hergestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt werden diese Pellets zu einem späteren Zeitpunkt aufgeschmolzen und durch Extrusion auf den Träger aufgebracht. Diese Verfahrensführung ist ineffizient. Zum einen entsteht durch das mehrmalige Aufschmelzen der Elektrodenmasse ein erhöhter Energieverbrauch. Zum anderen bringt die Trennung der Herstellung der Pellets, bei der die Elektrodenmasse angemischt wird, und das spätere Auftragen der Elektrodenmasse auf einen Träger einen zusätzlichen Aufwand mit sich, der das Handling der Pellets zwischen den beiden Verfahrensschritten betrifft.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode für einen Akkumulator aufzuzeigen, die bei möglichst weitgehendem Verzicht auf schädliche Lösungsmittel einen gleichmäßigen Auftrag der Elektrodenmasse auf den Träger ermöglichen und darüber hinaus effizient sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
Das Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für einen Akkumulator sieht vor, dass die Elektrodenmasse zunächst in einer Mischeinrichtung angemischt und von der Mischeinrichtung an die Fördereinrichtung abgegeben wird. Dabei werden Mischeinrichtung und/oder Fördereinrichtung insbesondere kontinuierlich betrieben. Die Abgabe des Mengenstroms an Elektrodenmasse von der Mischeinrichtung an die Fördereinrichtung erfolgt insbesondere kontinuierlich. Dabei werden Schwankungen des von der Mischeinrichtung an die Fördereinrichtung abgegebenen Mengenstroms an Elektrodenmasse ausgeglichen. Dass ein Mengenstrom an Elektrodenmasse von der Mischeinrichtung an die Fördereinrichtung abgegeben wird ermöglicht eine unterbrechungsfreie Verfahrensführung. Diese weist insbesondere gegenüber den im Stand der Technik beschriebenen „Nassverfahren“, bei denen die Herstellung der „slurry“ im batch-Verfahren und damit diskontinuierlich erfolgt, sowie gegenüber einer Verfahrensführung, bei der zunächst ein Zwischenprodukt, wie beispielsweise die eingangs erwähnten Pellets, hergestellt werden, den Vorteil auf, dass zum einen die Effizienz des Verfahrens durch eine wegfallende Lagerung bzw. einen reduzierten Handling-Aufwand effizienter wird, zum anderen können konstante Eigenschaften, insbesondere eine konstante Qualität, besser gewährleistet werden.
Diese Verfahrensführung erlaubt es, die Prozessschritte des Anmischens der Elektrodenmasse und deren Förderung durch die Extrusionsdüse voneinander zu trennen. Hierdurch kann die Fördereinrichtung dahingehend optimiert werden, dass diese einen möglichst konstanten Mengenstrom durch die Extrusionsdüse fördert. Dies resultiert in einem entsprechend gleichmäßigen Auftrag der Elektrodenmasse auf den Träger.
Entsprechend weist die dargestellte und beschriebene Vorrichtung eine Ausgleichseinrichtung zum Ausgleichen von Schwankungen eines von der Mischeinrichtung erzeugten und in die Fördereinrichtung abgegebenen Mengenstroms an Elektrodenmasse auf.
Durch die Trennung der Funktionen „Anmischen der Elektrodenmasse“ und „Fördern der Elektrodenmasse durch die Extrusionsdüse“ in unterschiedliche Verfahrensschritte bzw. unterschiedliche technische Einrichtungen wird erreicht, dass die jeweilige Einrichtung bzw. der jeweilige Verfahrensschritt im Hinblick auf die zu erzielende Wirkung optimiert werden kann. Das Anmischen der Elektrodenmasse bzw. die Mischeinrichtung können im Hinblick auf eine möglichst gute Durchmischung der Bestandteile und eine entsprechend homogene resultierende Elektrodenmasse optimiert werden. Die Förderung der Elektrodenmasse durch die Extrusionsdüse hingegen bzw. die Fördereinrichtung die hierzu verwendet wird, können im Hinblick auf einen möglichst konstanten Mengenstrom der geförderten Elektrodenmasse optimiert werden. Bei der Extrusionsdüse kann es sich insbesondere um eine Schlitzdüse handeln.
So kann zum Ausgleichen der Schwankungen Elektrodenmasse zwischengespeichert werden. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung beispielsweise eine Zwischenspeichereinrichtung aufweisen. Bei der Zwischenspeichereinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Ausgleichsbehälter handeln. Die Zwischenspeichereinrichtung ermöglicht es insbesondere, dass die Mischeinrichtung mit einem Mengenstrom, der zeitlichen Schwankungen unterworfen ist, in die Zwischenspeichereinrichtung fördert, während die Fördereinrichtung gleichzeitig einen konstanten Mengenstrom, der zumindest geringeren Schwankungen unterworfen ist als der von der Mischeinrichtung erzeugte Mengenstrom, entnimmt. Die Schwankungen in dem von der Mischeinrichtung abgegebenen Mengenstrom werden so durch entsprechende Schwankungen des Füllstands der Zwischenspeichereinrichtung ausgeglichen. Hierbei hat sich gezeigt, dass die Zwischenspeichereinrichtung in der Praxis vergleichsweise klein dimensioniert sein kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Schwankungen gering im Verhältnis zum gesamten Mengenstrom der von der Mischeinrichtung abgegebenen Elektrodenmasse sind und/oder wenn diese Schwankungen regelmäßig, insbesondere periodisch, auftreten. Beides ist beispielsweise dann der Fall, wenn es sich bei der Mischeinrichtung um einen Doppelschneckenextruder handelt.
Alternativ und/oder ergänzend kann zum Ausgleichen der Schwankungen, die der von der Mischeinrichtung abgegebene Mengenstrom an Elektrodenmasse aufweist, Elektrodenmasse in die Mischeinrichtung zurückgeführt werden. Für die Vorrichtung bedeutet dies, dass diese insbesondere eine Rückführungseinrichtung zum Zurückführen von Elektrodenmasse in die Mischeinrichtung aufweist.
Dies führt insbesondere dazu, dass von dem Mengenstrom an Elektrodenmasse, der von der Mischeinrichtung abgegeben wird und Schwankungen unterworfen ist, ein Teilstrom abgezweigt wird. Dieser Teilstrom wird in die Mischeinrichtung zurückgeführt, wo er mit den Ausgangsstoffen der Elektrodenmasse vermischt wird. Insbesondere wenn die Mischungsverhältnisse der jeweiligen Bestandteile über die Zeit konstant gehalten wird, verändert die zurückgeführte Elektrodenmasse nicht die Qualität, insbesondere nicht die Zusammensetzung der erzeugten Mischung. Der zurückgeführte Teilstrom der Elektrodenmasse weist dabei Schwankungen auf, die aus den Schwankungen des von der Mischeinrichtung abgegebenen Mengenstroms der Elektrodenmasse resultieren und diesen entsprechen. Der Rest des von der Mischeinrichtung abgegebenen Mengenstroms an Elektrodenmasse weist entsprechend keine oder zumindest weniger Schwankungen auf als der von der Mischeinrichtung abgegebene Mengenstrom. Auf diese Weise kann die Fördereinrichtung einen konstanten oder zumindest konstanteren Mengenstrom an Elektrodenmasse aufnehmen, als ihn die Mischeinrichtung abgibt.
In diesem Zusammenhang ist es insbesondere günstig, wenn die Mischeinrichtung und die Fördereinrichtung in Relation zueinander derart ausgelegt sind und/oder betrieben werden, dass die Mischeinrichtung einen höheren Mengenstrom an Elektrodenmasse abgibt als ihn die Fördereinrichtung aufnimmt. Durch diese Differenz wird es ermöglicht, den für die Rückführung benötigten Teilstrom abzuzweigen.
Es versteht sich, dass die beiden oben dargestellten Konzepte zur Realisierung des Ausgleichens bzw. der Ausgleichseinrichtung im gleichen Verfahren bzw. der gleichen Vorrichtung verwirklicht sein können. Dies bedeutet, dass das Verfahren vorsehen kann, dass sowohl Elektrodenmasse zwischen dem Anmischen und dem Fördern durch die Extrusionsdüse zwischengespeichert werden kann, während gleichzeitig auch Elektrodenmasse zurückgeführt wird. Entsprechend kann auch eine Vorrichtung sowohl eine Rückführungseinrichtung, als auch eine Zwischenspeichereinrichtung aufweisen, die zwischen Mischeinrichtung und Fördereinrichtung angeordnet sind. Die Anordnung zwischen Fördereinrichtung und Mischeinrichtung bezieht sich hierbei nicht zwingend auf die räumliche Anordnung der Einrichtungen zueinander, sondern vielmehr auf die Anordnung entlang des Fließwegs der Elektrodenmasse.
Die Vorrichtung kann eine Messeinrichtung zur Messung einer die von der Mischeinrichtung an die Fördereinrichtung abgegebene Elektrodenmasse betreffende Messgröße aufweisen. Entsprechend kann das Verfahren vorsehen, dass eine die von der Mischeinrichtung an die Fördereinrichtung abgegebene Elektrodenmasse betreffende Messgröße gemessen wird. Bei der Messgröße kann es sich insbesondere um einen Füllstand der Zwischenspeichereinrichtung und/oder einen von der Rückführungseinrichtung zurückgeführten Mengenstrom an Elektrodenmasse handeln. Hierdurch können insbesondere Kenntnisse darüber gewonnen werden, inwieweit die Abstimmung zwischen der Mischeinrichtung und der Fördereinrichtung hinsichtlich der jeweils bewältigten Mengenströme an Elektrodenmasse aufeinander abgestimmt sind und insbesondere kann überwacht werden, inwieweit ein dauerhafter, kontinuierlicher Betrieb möglich ist, und/oder ob Elektrodenmasse in der Zwischenspeichereinrichtung oder in dem durch die Rückführung gebildeten Kreislauf an- oder abreichert. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Mengenströme, die von der Mischeinrichtung abgegeben werden und/oder von der Fördereinrichtung aufgenommen werden, nicht hinreichend genau aufeinander abgestimmt sind.
Im Zusammenhang mit dem vorliegend beschriebenen Verfahren und der vorliegend beschriebenen Vorrichtung, insbesondere der vorstehend beschriebenen Messung, ist unter einem Mengenstrom nicht zwangsläufig zu verstehen, dass die tatsächliche - molare - Stoffmenge erfasst bzw. gemessen wird; unter einem Mengenstrom ist vielmehr ein Mengenstrom im weitesten Sinne zu verstehen, d.h., insbesondere auch ein Mengenstrom, der durch eine geeignete repräsentative Größe, beispielsweise einen Massen- und/oder Volumenstrom als tatsächlich verwendete Mess- und/oder Regelgröße repräsentiert wird.
In Abhängigkeit der Messgröße kann insbesondere die Vorrichtung gesteuert werden. Die Vorrichtung kann hierfür eine entsprechend eingerichtete Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung aufweisen. Diese kann eine Regelung enthalten, die insbesondere dazu dient, einen stabilen Zustand im kontinuierlichen Betrieb aufrecht zu erhalten. Insbesondere kann die Regelungs und/oder Steuerungseinrichtung hierfür zur Regelung und/oder Steuerung einer Dosiereinrichtung zur Dosierung eines Bestandteils der Elektrodenmasse dienen. Die Dosiereinrichtung kann in diesem Zusammenhang auch geeignet sein, eine Mehrzahl Bestandteile zu dosieren bzw. es können auch eine Mehrzahl Dosiereinrichtungen vorhanden sein. Die Dosiereinrichtungen dienen insbesondere zur Abgabe des Bestandteils bzw. der Bestandteile der Elektrodenmasse an die Mischeinrichtung. Derartige Dosiereinrichtungen können primär dazu dienen, die Mengenverhältnisse der einzelnen Bestandteile der Elektrodenmasse einzustellen. Darüber hinaus kann jedoch auch der Mengenstrom der in die Mischeinrichtung abgegebenen Gesamtmenge der Bestandteile gesteuert und/oder geregelt werden. Auf diese Weise kann in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Messung bzw. Messeinrichtung dafür gesorgt werden, dass sich der Füllstand einer Zwischenspeichereinrichtung und/oder der von einer Rückführungseinrichtung zurückgeführte Mengenstrom an Elektrodenmasse innerhalb eines, insbesondere für einen stabilen, dauerhaften und kontinuierlichen Betrieb geeigneten, Toleranzbereichs bewegt.
Insbesondere kann das Verfahren vorsehen, dass die Elektrodenmasse zwischen dem Verlassen der Mischeinrichtung und dem Eintreten in die Fördereinrichtung in einem fließfähigen Zustand gehalten wird. Dies betrifft insbesondere die Zeit, während der die Elektrodenmasse zwischengespeichert wird bzw. den Zeitpunkt des Abzweigens eines Teilstroms der Elektrodenmasse zu dessen Rückführung in die Mischeinrichtung. Die Masse in einem fließfähigen Zustand zu halten, ermöglicht eine stabile kontinuierliche Prozessführung.
Das Verfahren kann eine Entgasung der Elektrodenmasse vorsehen. Dies kann insbesondere sinnvoll sein, um sicherzustellen, dass die Elektrodenmasse nach ihrem Auftragen auf den Träger keine Gaseinschlüsse aufweist. Derartige Gaseinschlüsse können beispielsweise während des Mischens der Komponenten der Elektrodenmasse entstehen. Ebenfalls können Gaseinschlüsse durch das Verdampfen von Verunreinigungen entstehen. Bei diesen Verunreinigungen kann es sich beispielsweise um Wasser handeln.
Die Entgasung kann insbesondere bereits während des Mischens der Bestandteile der Elektrodenmasse und/oder während der Zwischenspeicherung der Elektrodenmasse erfolgen.
Insbesondere sieht das Verfahren vor, dass die Temperatur der Elektrodenmasse zwischen dem Verlassen der Mischeinrichtung und dem Eintreten in die Fördereinrichtung stets wenigstens 80 °C, insbesondere wenigstens 90 °C, und/oder höchstens 160 °C, insbesondere höchstens 120 °C, beträgt. Dies betrifft insbesondere die Temperatur der Elektrodenmasse während einer Zwischenspeicherung und/oder die Temperatur der Elektrodenmasse während der Abzweigung eines Teilstroms zur Rückführung in die Mischeinrichtung.
Insbesondere sieht das Verfahren vor, dass die Temperatur der Elektrodenmasse in der Mischeinrichtung wenigstens 80 °C, insbesondere wenigstens 90 °C, und/oder höchstens 140 °C, insbesondere höchstens 120 °C, beträgt.
Insbesondere sieht das Verfahren vor, dass die Temperatur der Elektrodenmasse in der Fördereinrichtung und/oder der Extrusionsdüse wenigstens 80 °C, insbesondere wenigstens 90 °C, und/oder höchstens 150 °C, insbesondere höchstens 130 °C, beträgt.
Es hat sich gezeigt, dass innerhalb dieser Temperaturen geeignete rheologische Eigenschaften erzielt werden können, insbesondere die Elektrodenmasse in einem fließfähigen Zustand gehalten werden kann.
Die Vorrichtung kann eine Heizeinrichtung aufweisen. Hierbei dient die Heizeinrichtung insbesondere der Beheizung der Mischeinrichtung, der Ausgleichseinrichtung, der Fördereinrichtung und/oder der Extrusionsdüse. Durch die Heizeinrichtung kann insbesondere die Elektrodenmasse von deren Anmischen in der Mischeinrichtung bis zum Verlassen der Extrusionsdüse in einem fließfähigen Zustand gehalten werden. Entsprechend findet im Sinne des vorliegenden Verfahrens eine Beheizung der Elektrodenmasse, insbesondere vom Anmischen zum Verlassen der Extrusionsdüse, statt.
Bei der insbesondere kontinuierlich betriebenen Mischeinrichtung kann es sich um einen Mehrwellenextruder handeln. Mehrwellenextruder weisen aufgrund der hohen Scherraten, die sie in den durch die Mehrwellenextruder geförderten Materialien erzeugen, sehr gute Eigenschaften im Hinblick auf das Durchmischen zähflüssiger bzw. pastöser Materialien auf. Daher führen die Mehrwellenextruder bei ihrer Verwendung als Mischeinrichtung zu einer sehr guten Homogenität der erzeugten Elektrodenmassen. Als besonders vorteilhaft hat es sich in diesem Zusammenhang erwiesen, wenn es sich bei der Mischeinrichtung um einen Doppelschneckenextruder handelt.
Bei der Fördereinrichtung handelt es sich insbesondere um eine Verdrängerpumpe. Verdrängerpumpen weisen insbesondere Vorteile im Hinblick auf die Förderung von Medien mit vergleichsweise hohen Viskositäten auf. Insbesondere kann es sich bei der Fördereinrichtung um eine Zahnradpumpe handeln. Es hat sich gezeigt, dass Zahnradpumpen insbesondere einen sehr konstanten Mengenstrom erzeugen können.
Insbesondere ist die rheologische Beschaffenheit der Elektrodenmasse in Verbindung mit der Beschaffenheit des Verfahrens und/oder der Vorrichtung so gewählt, dass die Elektrodenmasse innerhalb der Extrusionsdüse aufgrund der dort herrschenden Scherkräfte fließfähig ist und diese Fließfähigkeit unmittelbar nach dem Verlassen der Extrusionsdüse - und damit dem Wegfall der Scherkräfte - verliert. Dies wirkt sich positiv darauf aus, dass die Elektrodenmasse beim Auftragen auf den Träger den durch die Form der Extrusionsdüse vorgegebenen Querschnitt beibehält.
Die Elektrodenmasse kann eine Grundmasse und einen Plastifizierer als wesentliche Bestandteile aufweisen. Dabei enthält die Grundmasse insbesondere diejenigen Bestandteile der Elektrodenmasse, die nach einem späteren, zumindest teilweisen, Entfernen des Plastifizierers die Elektrode bilden. Die Elektrodenmasse, insbesondere die Grundmasse, weist ein Aktivmaterial als Bestandteil auf. Bei dem Aktivmaterial kann es sich im Fall der Anode insbesondere um Grafit und/oder im Fall der Kathode um Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid, Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid oder Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄) handeln. Auch andere Aktivmaterialien, insbesondere Lithiumverbindungen, sind denkbar. Als Aktivmaterial werden die chemisch aktiven Substanzen in einer Elektrode bezeichnet, die für die Energiespeicherung verantwortlich sind, in dem sie unter Abgabe und/oder Aufnahme elektrischer Ladungsträger chemischen Umwandlungen unterliegen, wenn der Akkumulator geladen und/oder entladen wird.
Der Massenanteil des Aktivmaterials an der Grundmasse beträgt wenigstens 88 %, und/oder höchstens 97 %.
Die Elektrodenmasse, insbesondere die Grundmasse, kann weiterhin ein Additiv zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit enthalten. Bei diesem Additiv kann es sich beispielsweise um Ruß und/oder Grafit handeln. Der Massenanteil des Additivs an der Grundmasse kann wenigstens 1,5 %, und/oder höchstens 5 % betragen.
Die Elektrodenmasse, insbesondere die Grundmasse, kann einen Binder enthalten. Bei dem Binder kann es sich um ein Polymer, insbesondere ein Fluorpolymer, handeln. Der Massenanteil des Binders an der Grundmasse kann wenigstens 1,5%, insbesondere wenigstens 3%, und/oder höchstens 7%, insbesondere höchstens 5%, betragen.
Die Elektrodenmasse kann weiterhin einen Plastifizierer enthalten. Bei dem Plastifizierer kann es sich beispielsweise um einen Stoff handeln, der ein geeignetes Phasenübergangsverhalten aufweist. Hierunter ist insbesondere ein Stoff zu verstehen, dessen Schmelzpunkt höchstens 80 °C, insbesondere höchstens 35 °C, und/oder dessen Siedepunkt wenigstens 120 °C, insbesondere wenigstens 140 °C, beträgt. Stoffe mit einem derartigen Phasenübergangsverhalten sind geeignet, die Elektrodenmasse während des Mischens bzw. während ihrer Förderung durch die Extrusionsdüse in einem plastischen bzw. fließfähigen Zustand zu halten, gleichzeitig jedoch unmittelbar nach dem Verlassen der Extrusionsdüse für die Bildung einer stabilen Schicht auf dem Träger zu sorgen, insbesondere ohne ein Gasbildung während der bei erhöhter Temperatur durchgeführten Verfahrensschritte zu riskieren.
Der Masseanteil des Plastifizierers kann insbesondere in Abhängigkeit der Eigenschaften der Bestandteile der Grundmasse gewählt sein. Hier können Parameter wie die Korngröße, die Größe der Oberfläche sowie Menge und Art der Zusatzstoffe, wie Binder und/oder Additiv zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit, berücksichtigt werden. Ebenso spielt die Menge und Art des Aktivmaterials eine Rolle. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn im Fall der Verwendung von Graphit als Aktivmaterial für die Anode, der Masseanteil des Plastifizierers wenigstens 14 %, insbesondere wenigstens 20 %, und/oder höchstens 42 %, insbesondere höchstens 40 %, beträgt. Im Falle der Kathode, insbesondere im Fall einer Lithium-Eisenphosphat-Kathode, kann der Anteil des Plastifizierers wenigstens 30 %, insbesondere wenigstens 35 %, und/oder höchstens 50 %, insbesondere höchstens 42 %, betragen.
Insbesondere kann es sich bei dem Plastifizierer um Ethylencarbonat handeln. Ethylencarbonat findet nach dem Stand der Technik bereits in Elektrolyten von Akkumulatoren der in Rede stehenden Art Anwendung, ist daher für den Akkumulator, insbesondere für dessen Funktionsweise, unproblematisch. Darüber hinaus weist Ethylencarbonat aufgrund der Lage seines Schmelzpunktes ein temperaturabhängiges Verhalten auf, welches es ermöglicht, dass das Ethylencarbonat bei den Temperaturen, die zwischen Mischeinrichtung und Extrusionsdüse vorherrschen, als Plastifizierer wirkt, nach dem Abkühlen der Elektrodenmasse auf dem Träger, insbesondere nach einer Abkühlung auf Raumtemperatur, seine Wirkung als Plastifizierer, zumindest weitgehend, verliert.
Das Verfahren kann vorsehen, dass die Elektrodenmasse nach dem Aufbringen auf den Träger gekühlt wird. Hierbei kann insbesondere eine Abkühlung auf Raumtemperatur stattfinden.
Bei dem Träger kann es sich insbesondere um eine Metallfolie handeln. Die Metallfolie liegt insbesondere in Form eines lang gestreckten Streifens vor. Dieser wird insbesondere an der Extrusionsdüse vorbei bewegt, während die Elektrodenmasse auf den Träger aufgetragen wird. Bei dem Metall kann es sich insbesondere um Kupfer und/oder Aluminium handeln. Der Träger kann insbesondere auf einer Rolle bevorratet werden, von der er abgerollt wird, um zur Extrusionsdüse transportiert zu werden.
Es kann eine Messeinrichtung zur Erfassung der Beladung des Trägers mit Elektrodenmasse vorhanden sein. Dabei kann es sich insbesondere um eine Messeinrichtung zur Messung der Dicke der auf dem Träger aufgetragenen Elektrodenmasse handeln. Insbesondere kann es sich bei der Messeinrichtung um ein sogenanntes „Beta Gauge“ handeln. Hierbei handelt es sich um eine Messeinrichtung zur radiometrischen Dickenmessung, welches auf der Basis von Beta-Strahlung die Dicke der durchstrahlten Schicht misst. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Dickenmessverfahren, insbesondere andere radiometrische Dickenmessverfahren denkbar.
Die Vorrichtung kann eine Steuerungseinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die Vorrichtung, insbesondere die Fördereinrichtung, in Abhängigkeit von den von der Messeinrichtung erfassten Messwerten zu steuern. Hierdurch können Schwankungen des Massenstroms der Elektrodenmasse noch weiter reduziert werden.
Das Verfahren kann vorsehen, dass der Plastifizierer, zumindest weitgehend, aus der Elektrodenmasse entfernt wird. Hierbei kann insbesondere eine Porosität in der Elektrode erzeugt werden. Das Entfernen des Plastifizierers kann insbesondere durch Wärmeeinwirkung erfolgen. Hierfür kann die Vorrichtung insbesondere eine Heizeinrichtung aufweisen. Bei der Heizeinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Infrarotheizeinrichtung handeln. Die Wärmeeinwirkung kann dabei insbesondere dazu führen, dass der Plastifizierer verdampft.
Es ist möglich, dass der Plastifizierer wiederverwertet wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Plastifizierer, insbesondere wenn er zunächst verdampft worden ist, mit einem Gasstrom abgeführt und aus diesem auskondensiert wird. Bei dem Gasstrom kann es sich dabei insbesondere um einen Luftstrom handeln.
Es ist möglich, dass nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren die Elektrodenmasse auf beiden Seiten des Trägermaterials aufgebracht wird.
Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine vereinfachte grafische Darstellung eines ersten Teils einer Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode,
2 den zweiten Teil zu dem in 1 dargestellten Teil einer Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode

Die beispielhafte Vorrichtung 10 ist zur Durchführung eines Verfahrens geeignet und bestimmt, bei dem eine Elektrodenmasse 12 auf einen Träger 14 aufgebracht wird. Der Träger 14 kann wie im dargestellten Beispiel bandförmig sein und in aufgewickelter Form vorliegen. Entsprechend kann die Vorrichtung 10 eine Abwickeleinrichtung 16 zum Abwickeln des Trägers 14 aufweisen.
Die Elektrodenmasse 12 wird mittels einer Extrusionsdüse 18 auf den Träger 14 aufgetragen. Die Elektrodenmasse 12 wird hierfür mittels der Fördereinrichtung 20 durch die Extrusionsdüse 18 gefördert. Die Fördereinrichtung 20 kann, wie im gezeigten Beispiel grafisch lediglich schematisch angedeutet, eine Zahnradpumpe sein.
Die Vorrichtung 10 weist weiterhin eine Mischeinrichtung 22 auf. Diese kann, wie im gezeigten Beispiel grafisch lediglich schematisch angedeutet, als Doppelschneckenextruder ausgebildet sein. Die Mischeinrichtung 22 mischt die Elektrodenmasse 12 an, die daraufhin von der Mischeinrichtung 22 an die Fördereinrichtung 20 abgegeben wird. Dabei werden Schwankungen im Mengenstrom, der von der Mischeinrichtung 22 an die Fördereinrichtung 20 abgegebene Elektrodenmasse 12 durch eine Ausgleichseinrichtung 24 ausgeglichen. Bei der Ausgleichseinrichtung 24 kann es sich wie im gezeigten Beispiel um eine Zwischenspeichereinrichtung handeln. Diese kann einen Teil des von der Mischeinrichtung 22 an die Fördereinrichtung 20 abgegebenen Mengenstroms an Elektrodenmasse 12 zwischenspeichern. Die Schwankungen in dem Mengenstrom werden quasi „geglättet“.
Die Vorrichtung 10 kann wie im gezeigten Beispiel eine Mehrzahl Dosiereinrichtungen 26, 28 zur Dosierung verschiedener Bestandteile der Elektrodenmasse 12 aufweisen. Ebenfalls kann die Vorrichtung 10 eine Dosiereinrichtung 30 zur Dosierung des Plastifizierers aufweisen. Mit den Dosiereinrichtungen 26, 28, 30 können die entsprechenden Bestandteile jeweils in die Mischeinrichtung 22 dosiert, d.h. insbesondere der Mengenstrom gesteuert und/oder geregelt werden. Die Vorrichtung 10 kann in diesem Zusammenhang eine Regelung und/oder Steuerung 32 aufweisen, die insbesondere dazu ausgebildet ist, die von den Dosiereinrichtungen 26, 28, 30 in die Mischeinrichtung 22 abgegebene Mengenströme in Abhängigkeit einer nicht näher dargestellten Messeinrichtung zu steuern. Bei der nicht näher dargestellten Messeinrichtung kann es sich insbesondere um eine Messeinrichtung zur Messung des Füllstands in der Zwischenspeichereinrichtung handeln.
Die Mischeinrichtung 22, die Ausgleichseinrichtung 24, die Fördereinrichtung 20 und/oder die Extrusionsdüse 18 können jeweils eine Heizeinrichtung 34 aufweisen. Insbesondere kann die Mischeinrichtung 22 eine Mehrzahl Heizeinrichtungen 34 aufweisen, wie im Fall der beispielhaften Vorrichtung 10 dargestellt. Auf diese Weise können beispielsweise unterschiedliche Heizzonen realisiert werden.
Unmittelbar nach dem Auftrag der Elektrodenmasse 12 auf den Träger 14 kann diese wie im Fall der beispielhaft dargestellten Vorrichtung 10 einer Abkühleinrichtung 36 zugeführt werden. Der Wechsel von 1 zu 2 ist in diesem Zusammenhang lediglich darstellungstechnisch bedingt. Tatsächlich wird der durch den Auftrag gebildete Verbund aus Träger 14 und Elektrodenmasse 12 unmittelbar zwischen den in den 1 und 2 dargestellten Teilvorrichtungen 10 weiter transportiert.
Wie im Beispiel dargestellt kann der so gebildete Verbund aus Träger 14 und Elektrodenmasse 12 einer schichtigen Messeinrichtung 38 zugeführt werden. Das Ergebnis der Schichtdickenmessung, insbesondere das Ergebnis der Schichtdickenmessung der Schicht der Elektrodenmasse 12, kann ebenfalls in Zusammenhang mit einer Regelung und/oder Steuerung der Vorrichtung 10, insbesondere einer Dosiereinrichtung 26, 28 und/oder 30 genutzt werden.
Die Vorrichtung 10 kann wie im dargestellten Beispiel eine Heizeinrichtung 40 aufweisen. Bei dieser kann es sich beispielsweise um einen Infrarotofen handeln. Die Heizeinrichtung dient insbesondere dazu, den Plastifizierer, zumindest teilweise, aus der Elektrodenmasse 12 zu entfernen. Hierdurch wird insbesondere auch eine Porosität generiert, die zu einem späteren Zeitpunkt mit einem Elektrolyt infiltriert werden kann.
Wie im Beispiel gezeigt, kann die Vorrichtung 10 eine Aufwickeleinrichtung 42 zum Aufwickeln der durch den Verbund aus dem Träger 14 und der darauf aufgebrachten Schicht der Elektrodenmasse 12 gebildeten Elektrode aufweisen.
Gemäß einem ersten Beispiel kann die Elektrodenmasse für eine Kathode, die in der Mischeinrichtung angemischt wird, eine Mischung aus einer Grundmasse und einem Plastifizierer sein. Der Massenanteil des Plastifizierers an dieser Mischung kann beispielsweise 24% betragen. Bei dem Plastifizierer kann es sich um Ethylencarbonat handeln. Die Grundmasse kann zwei verschiedene Binder in Massenanteilen von 4% und 2%, Grafit und Ruß als Additive zur Steigerung der Leitfähigkeit in Massenanteilen von je 3% und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid als Aktivmaterial in einen Massenanteil von 88%, jeweils bezogen auf die Grundmasse, enthalten.
Gemäß einem zweiten Beispiel kann die Elektrodenmasse für eine Kathode, die in der Mischeinrichtung angemischt wird, eine Mischung aus einer Grundmasse und einem Plastifizierer sein. Der Massenanteil des Plastifizierers an dieser Mischung kann beispielsweise 35% betragen. Bei dem Plastifizierer kann es sich um Ethylencarbonat handeln. Die Grundmasse kann einen Binder in einem Massenanteil von 7%, Ruß als Additiv zur Steigerung der Leitfähigkeit in einem Massenanteil von 5% und Lithium-Eisenphosphat als Aktivmaterial in einen Massenanteil von 88%, jeweils bezogen auf die Grundmasse, enthalten.
Gemäß einem dritten Beispiel kann die Elektrodenmasse für eine Anode, die in der Mischeinrichtung angemischt wird, eine Mischung aus einer Grundmasse und einem Plastifizierer sein. Der Massenanteil des Plastifizierers an dieser Mischung kann beispielsweise 38% betragen. Bei dem Plastifizierer kann es sich um Ethylencarbonat handeln. Die Grundmasse kann einen Binder in einem Massenanteil von 6,5%, Ruß als Additiv zur Steigerung der Leitfähigkeit in einem Massenanteil von 4,5% und Grafit als Aktivmaterial in einen Massenanteil von 89%, jeweils bezogen auf die Grundmasse, enthalten.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Elektrodenmasse
14: Träger
16: Abwickeleinrichtung
18: Extrusionsdüse
20: Fördereinrichtung
22: Mischeinrichtung
24: Ausgleichseinrichtung
26: Dosierungseinrichtung
28: Dosierungseinrichtung
30: Dosierungseinrichtung
32: Regelung/Steuerung
34: Heizeinrichtung
36: Abkühleinrichtung
38: Schichtdickenmesseinrichtung
40: Heizeinrichtung
42: Aufwickeleinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004012476 A1 [0005]
EP 2744019 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für einen Akkumulator, wobei mittels einem Extrusionsverfahrens eine Elektrodenmasse (12) auf einen Träger (14), insbesondere einer Metallfolie, aufgetragen wird, wobei die Elektrodenmasse (12) im Rahmen des Extrusionsverfahrens mittels einer Fördereinrichtung (20) durch eine Extrusionsdüse (18) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenmasse (12) in einer Mischeinrichtung (22) angemischt und von der Mischeinrichtung (22) an die Fördereinrichtung (20) abgegeben wird, wobei Schwankungen des von der Mischeinrichtung (22) an die Fördereinrichtung (20) abgegebenen Mengenstroms an Elektrodenmasse (12) ausgeglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleichen der Schwankungen Elektrodenmasse (12) zwischengespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleichen der Schwankungen Elektrodenmasse (12) in die Mischeinrichtung (22) zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenmasse (12), insbesondere während einer Zwischenspeicherung, zwischen dem Verlassen der Mischeinrichtung (22) und dem Eintreten in die Fördereinrichtung (20) in einem fließfähigen Zustand gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Elektrodenmasse (12), insbesondere während einer Zwischenspeicherung, zwischen dem Verlassen der Mischeinrichtung (22) und dem Eintreten in die Fördereinrichtung (20) stets wenigstens 80 °C, insbesondere wenigstens 90 °C, und/oder höchstens 140 °C, insbesondere höchstens 120 °C, beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenmasse (12) Ethylencarbonat als Plastifizierer aufweist.
Vorrichtung (10) zur Herstellung einer Elektrode für einen Akkumulator, insbesondere nach einem Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Mischeinrichtung (20) zum Anmischen einer Elektrodenmasse (12) und eine Fördereinrichtung (20) zum Fördern der Elektrodenmasse (12) durch eine Extrusionsdüse (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Ausgleichseinrichtung (24) zum Ausgleichen von Schwankungen eines von der Mischeinrichtung (22) erzeugten und an die Fördereinrichtung (20) abgegebenen Mengenstroms an Elektrodenmasse (12) aufweist.
Vorrichtung (10)nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10), insbesondere die Ausgleichseinrichtung (24) und die Zwischenspeichereinrichtung, einen Ausgleichsbehälter, zum Ausgleichen der Schwankungen aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10), insbesondere die Ausgleichseinrichtung (24), zum Ausgleichen der Schwankungen eine Rückführungseinrichtung zum Zurückführen von Elektrodenmasse (12) in die Mischeinrichtung (22) aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Mischeinrichtung (22) um einen Mehrwellenextruder, insbesondere um einen Doppelschneckenextruder, handelt.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Fördereinrichtung (20) um eine Verdrängerpumpe, insbesondere eine Zahnradpumpe handelt.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Messeinrichtung (38) zur Messung einer die von der Mischeinrichtung (22) an die Fördereinrichtung (20) abgegebene Elektrodenmasse (12) betreffende Messgröße, insbesondere zur Messung eines Füllstands der Zwischenspeichereinrichtung und/oder zur Messung eines von der Rückführungseinrichtung zurückgeführten Mengenstromes, aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung (32) zur Steuerung der Vorrichtung (10), insbesondere einer Dosiereinrichtung (26, 28, 30) zur Dosierung eines Bestandteils der Elektrodenmasse (12), in Abhängigkeit von der Messgröße aufweist.