DE102021202545A1

DE102021202545A1 - Batteriezelle

Info

Publication number: DE102021202545A1
Application number: DE102021202545.5A
Authority: DE
Inventors: Christoph Bolli; Tim Dagger; Paul Meister; Xin Qi
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2022-09-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (14), die eine Kathode (18), eine Anode (16) und einen dazwischen angeordneten Separator (20) aufweist. Die Kathode (18) umfasst ein ein Übergangsmetallion (30) aufweisendes Aktivmaterial (26) und ein kohlenstoffbasiertes Leitadditiv (28). Die Oberfläche des Separators (20) oder die Oberfläche des Leitadditivs (28) ist mit einem ein Stickstoffatom (N) aufweisenden Molekül (40) versehen, das zum Eingehen eines Chelatkomplexes (48) mit dem Übergangsmetallion (30) geeignet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren (32) zur Herstellung einer Batteriezelle (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, die eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen angeordneten Separator aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle.
In zunehmendem Maße werden Kraftfahrzeuge zumindest teilweise mittels eines Elektromotors angetrieben, sodass diese als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgestaltet sind. Zur Bestromung des Elektromotors wird üblicherweise eine Hochvoltbatterie herangezogen, die mehrere einzelne Batteriemodule umfasst. Die Batteriemodule sind meist zueinander baugleich sowie miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet, sodass die an der Hochvoltbatterie anliegende elektrische Spannung einem Vielfachen der mittels jedes der Batteriemodule bereitgestellten elektrischen Spannung entspricht. Jedes Batteriemodul wiederum umfasst mehrere Batterien, die meist in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, und die miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
Jede der Batterien wiederum umfasst üblicherweise mehrere Batteriezellen, die jeweils auch als galvanisches Element bezeichnet werden. Diese weisen jeweils zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, sowie einen dazwischen angeordneten Separator als auch einen Elektrolyten mit freibeweglichen Ladungsträgern auf. Als ein derartiger Elektrolyt wird beispielsweise eine Flüssigkeit herangezogen. Zum Schutz der Batteriezellen sind diese üblicherweise in einem Gehäuse der Batterie angeordnet.
Die Elektroden weisen jeweils einen Ableiter auf, der aus einer Metallfolie erstellt ist. Auf den jeweiligen Ableiter ist eine Schicht aufgetragen, die ein Aktivmaterial, einen Binder und ein Leitadditiv umfasst. Die Elektroden können dabei basierend auf Kohlenstoff oder auch Übergangsmetallverbindungen sein. Damit eine vergleichsweise hohe Energiedichte bereitgestellt ist, weist das Aktivmaterial der Kathode meist ein Ion eines Übergangsmetalls auf, wie Mangan, Cobalt oder Nickel.
Bei Betrieb ist es möglich, dass die Batteriezelle erwärmt wird und somit auch das Aktivmaterial der Kathode. Hierbei ist es möglich, dass das Übergangsmetallion sich in dem verwendeten Elektrolyten löst. Infolgedessen wird dieses von der Kathodenseite zu der Anodenseite mit dem Elektrolyten transportiert, und es ist möglich, dass sich das Übergangsmetallion an Bestandteilen der Anode, wie dem dortigen Aktivmaterial, anlagert. In diesem Bereich der Anode kann eine fortgesetzte Elektrolytzersetzung oder auch eine Zersetzung der Passivierungsschicht auf der Anode, der sog. SEI (eng. Solid Electrolyte Interphase), stattfinden. In beiden Fällen verringert sich die Anzahl an transportierbaren Arbeitsionen, und eine Kapazität der Batteriezelle ist verringert. Wenn dies vergleichsweise häufig geschieht, ist die Batteriezelle nicht mehr oder lediglich sehr eingeschränkt nutzbar, sodass eine Lebensdauer verringert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Batteriezelle und ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle anzugeben, wobei vorteilhafterweise eine Lebensdauer erhöht ist.
Hinsichtlich der Batteriezelle wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorzugsweise ist die Batteriezelle im bestimmungsgemäßen Zustand ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs. Hierfür ist die Batteriezelle geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Im bestimmungsgemäßen Zustand ist die Batteriezelle beispielsweise ein Bestandteil eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs, der mehrere derartige Batteriezellen aufweist. Vorzugsweise sind hierbei die Batteriezellen auf mehrere Batterien und/oder Batteriemodule aufgeteilt, die zueinander wiederum baugleich sind. Die Batteriezellen sind insbesondere in einem Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls/Batterie angeordnet und miteinander elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltet. Somit ist die an dem Energiespeicher/Batteriemodul/Batterie anliegende elektrische Spannung ein Vielfaches der mittels jeder der Batteriezelle bereitgestellten elektrischen Spannung, oder zumindest eine Kapazität ist erhöht. Zweckmäßigerweise sind sämtliche Batteriezellen dabei zueinander baugleich, was eine Fertigung vereinfacht.
Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt landgebunden und weist vorzugsweise eine Anzahl an Rädern auf, von denen zumindest eines, vorzugsweise mehrere oder alle, mittels eines Antriebs angetrieben sind. Geeigneterweise ist eines, vorzugsweise mehrere, der Räder steuerbar ausgestaltet. Somit ist es möglich, das Kraftfahrzeug unabhängig von einer bestimmten Fahrbahn, beispielsweise Schienen oder dergleichen, zu bewegen. Dabei ist es zweckmäßigerweise möglich, das Kraftfahrzeug im Wesentlichen beliebig auf einer Fahrbahn zu positionieren, die insbesondere aus einem Asphalt, einem Teer oder Beton gefertigt ist. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Nutzkraftwagen, wie ein Lastkraftwagen (Lkw) oder ein Bus. Besonders bevorzugt jedoch ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen (Pkw).
Mittels des Antriebs erfolgt zweckmäßigerweise eine Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. Zum Beispiel ist der Antrieb, insbesondere der Hauptantrieb, zumindest teilweise elektrisch ausgestaltet, und das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Elektrofahrzeug. Der Elektromotor wird zum Beispiel mittels des Energiespeichers betrieben, der geeigneterweise als eine Hochvoltbatterie ausgestaltet ist, oder zumindest mittels der Batteriezelle. Mittels der Hochvoltbatterie wird zweckmäßigerweise eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt, wobei die elektrische Spannung zum Beispiel zwischen 200 V und 800 V und beispielsweise im Wesentlichen 400 V beträgt. Vorzugsweise ist zwischen dem Energiespeicher und dem Elektromotor ein elektrischer Umrichter angeordnet, mittels dessen die Bestromung des Elektromotors eingestellt wird. In einer Alternative weist der Antrieb zusätzlich einen Verbrennungsmotor auf, sodass das Kraftfahrzeug als Hybrid-Kraftfahrzeug ausgestaltet ist. In einer weiteren Alternative wird mittels des Energiespeichers ein Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs gespeist, und mittels des Energiespeichers wird insbesondere eine elektrische Gleichspannung von 12 V, 24 V oder 48 V bereitgestellt.
In einer weiteren Alternative ist die Batteriezelle ein Bestandteil eines Flurförderfahrzeug, einer Industrieanlage, eines handgeführten Geräts, wie beispielsweise eines Werkzeugs, insbesondere eines Akkuschraubers. In einer weiteren Alternative ist die Batteriezelle ein Bestandteil einer Energieversorgung und wird dort beispielsweise als sogenannte Pufferbatterie verwendet. In einer weiteren Alternative ist die Batteriezelle ein Bestandteil eines tragbaren Geräts, beispielsweise eines tragbaren Mobiltelefons, oder eines sonstigen Wearables. Auch ist es möglich, eine derartige Batteriezelle im Campingbereich, Modellbaubereich oder für sonstige Outdoor-Aktivitäten zu verwenden.
Die Batteriezelle weist eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen angeordneten Separator auf. Beispielsweise sind die Anode, Kathode und der Separator zumindest teilweise flächig ausgestaltet, und insbesondere ist die Batteriezelle vorgesehen, dass mehrere derartige Batteriezellen übereinander zu einem Zellstapels gestapelt werden. Alternativ hierzu sind die Kathode, die Anode und der Separator aufgerollt, insbesondere zu einer sogenannten „Jelly Roll“.
Vorzugsweise weist die Batteriezelle einen Elektrolyten auf, mittels dessen insbesondere freibewegliche Ladungsträger bereitgestellt sind. Als derartiger Elektrolyt wird insbesondere LiPF6 verwendet, oder der Elektrolyt umfasst zumindest LiPF6, beispielsweise als Leitsalz, und insbesondere organische Carbonate als Lösungsmittel.
Die Kathode weist ein Aktivmaterial auf. Das Aktivmaterial umfasst ein Übergangsmetallion, also ein positiv geladenes Ion eines Übergangsmetalls, das zum Beispiel kovalent an weitere Bestandteile des Aktivmaterials gebunden ist. Zudem weist die Kathode ein Leitadditiv auf, das kohlenstoffbasiert ist. Mit anderen Worten ist das Leitadditiv aus Kohlenstoff erstellt oder zumindest eine Hauptkomponente des Leitadditivs ist Kohlenstoff, wobei der Kohlenstoff beispielsweise in unterschiedlichen Konfigurationen gebunden ist. Folglich besteht das Leitadditiv zumindest zur Hälfte aus Kohlenstoff. Beispielsweise ist das Leitadditiv ein Leitruß, Leitgraphit oder Nanoröhren. Insbesondere sind das Aktivmaterial und das Leitadditiv ein Bestandteil einer Schicht der Kathode, die zweckmäßigerweise zusätzlich einen Binder umfasst. Die Schicht ist geeigneterweise auf einen Ableiter der Kathode aufgetragen, der vorzugsweise aus einer Metallfolie erstellt ist, wie einer Aluminiumfolie. Vorzugsweise ist die Anode gleichartig aufgebaut, wobei beispielsweise ein unterschiedliches Material für den Ableiter und/oder das Aktivmaterial verwendet wird. Mit anderen Worten weist die Anode bevorzugt einen Ableiter auf, der mit einer Schicht versehen ist, die ein Aktivmaterial, ein Leitadditiv und einen Binder umfasst.
Die Batteriezelle weist zudem ein Molekül auf, das zum Eingehen eines Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion geeignet ist. Mit anderen Worten weist das Molekül mehrzähnige Liganden auf, mittels derer zwei Koordinationsstellen zur Bindung mit dem Übergangsmetallion bereitgestellt sind. Mit anderen Worten wird, wenn das Übergangsmetallion auf das Molekül trifft, und das Übergangsmetallion nicht anderweitig gebunden ist, der Chelatkomplexes mit dem Molekül gebildet. Das Molekül weist ist ein Stickstoffatom auf, wobei insbesondere mittels des Stickstoffatoms eine der Koordinationsstellen, also die jeweilige Bindungsstelle, gebildet ist. Die Bindung der Koordinationsstellen mit dem Übergangsmetallion ist insbesondere jeweils eine koordinative Bindung. Geeigneterweise weist das Molekül zwei derartige Stickstoffatome auf, wobei mittels jedes der Stickstoffatome jeweils eine der Bindungsstellen bereitgestellt ist. Zusammenfassend ist es möglich, mittels des Moleküls ein Übergangsmetallion, das aus dem Aktivmaterial herausgelöst ist, zu binden. Hierfür ist das Molekül geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet.
In einer Alternative der Erfindung ist die Oberfläche des Separators mit dem Molekül versehen. Mit anderen Worten ist die Oberfläche des Separators mit in dem Molekül beispielsweise vollständig oder zumindest teilweise beschichtet. Insbesondere ist hierbei die Oberfläche des Separators auf der der Kathode zugewandten Seite mit dem Molekül versehen. Insbesondere ist das Molekül mit weiteren Bestandteilen des Separators gebunden, beispielsweise mittels einer Ionenbindung oder einer kovalenten Bindung. Wenn das Übergangsmetallion aus dem Aktivmaterial herausgelöst ist und bei Betrieb mit dem Elektrolyten zur Anode transportiert wird, gelangt dieses zunächst zu der Oberfläche des Separators und daher zu dem Molekül. Dieses bildet mit dem Übergangsmetallion den Chelatkomplex aus, sodass das Übergangsmetallion an den Separator gebunden wird. Folglich dringt das Übergangsmetallion nicht in die Anode ein und kann dort eine Kapazität nicht verringern. Insbesondere weist die Oberfläche des Separator eine Keramikschicht auf oder zumindest eine Schicht, die mittels Keramikpartikeln bereitgestellt ist. Zweckmäßigerweise sind hierbei an die jeweilige Keramik das Molekül angebunden.
In einer bevorzugten Alternative ist die Oberfläche des Leitadditivs mit dem Molekül versehen. Mit anderen Worten ist beispielsweise die Oberfläche des Leitadditivs, also die einzelnen Partikel des Leitadditivs, mit dem Molekül teilweise oder vollständig versehen. Die Oberfläche des kohlenstoffbasiertes Leitadditiv ist vergleichsweise groß, sodass, auch wenn lediglich ein Teil des Leitadditivs mit dem Molekül versehen ist, eine vergleichsweise große Menge des Moleküls bereitsteht, um eines der Übergangsmetallionen mittels des Chelatkomplexes zu binden. Hierbei ist das Molekül mittels einer vergleichsweise starken kovalenten Bindung an dem kohlenstoffbasierten Leitadditiv gebunden, sodass ein Ablösen des Chelatkomplexes von dem Leitadditiv vermieden ist. Ferner wird somit das Übergangsmetallion bereits in der Kathode gebunden, weswegen eine Beeinträchtigung weiterer Bestandteile vermieden ist.
In einer Varianten weist das Molekül zwei Nitril-Gruppen auf, also ein Kohlenstoffatom, das mittels einer dreifachen Bindung mit dem jeweiligen Stickstoffatom gebunden ist. Folglich weist das Molekül zumindest zwei Stickstoffatome auf, mittels derer jeweils die Bindungsstellen bereitgestellt sind. Mittels der beiden Nitril-Gruppen ist es möglich, das jeweilige Übergangsmetallion vergleichsweise sicher zu binden. Hierbei wird durch die vergleichsweise hohe Stabilität der Nitril-Gruppe eine Oxidation des Moleküls vermieden. Da sich das Molekül nicht in der Anode befindet, wird eine sonstige Reaktion des Moleküls vermieden. Mit anderen Worten ist aufgrund der Anordnung des Moleküls dieses von der Funktionsweise der Anode nicht betroffen, und das Molekül steht für einen vergleichsweise langen Zeitraum zum Eingehen des Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion bereit, sodass eine Lebensdauer der Batteriezelle vergleichsweise hoch ist. Zudem ist eine Herstellung der Nitril-Gruppen auch vergleichsweise kostensparend möglich. Die Nitril-Gruppen sind beispielsweise an einen jeweiligen weiteren Rest gebunden, wobei der Rest beispielsweise ein linearer oder zyklischer Rest ist. Hierbei sind die beiden Reste zweckmäßigerweise miteinander verbunden. Zum Beispiel sind dabei die beiden Reste gleich oder zueinander unterschiedlich. Alternativ hierzu sind die beiden Nitril-Gruppen direkt miteinander verbunden. Beispielsweise ist hierbei stets der gleiche Rest vorhanden, oder das Molekül weist unterschiedliche Reste auf, wobei jedem der Reste eine oder beide der Nitril-Gruppen zugeordnet sind. Beispielsweise sind die Reste miteinander verbunden.
Zum Beispiel weist das Molekül lediglich die beiden Nitril-Gruppen auf und umfasst somit insbesondere ein Binitril. Besonders bevorzugt jedoch umfasst das Molekül eine weitere Nitril-Gruppen, sodass der Chelatkomplexes insbesondere drei Liganden aufweist. Somit umfasst das Molekül ein Trinitril. In einer weiteren Alternative weist das Molekül noch zusätzliche Nitril-Gruppen auf. Aufgrund der größeren Anzahl an Nitril-Gruppen wird ein vergleichsweise stabiler Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion gebildet, sodass ein späteres Ablösen des Übergangsmetallions vermieden ist. Alternativ hierzu werden die weiteren Nitril-Gruppen zum Eingehen eines Chelatkomplexes mit einem weiteren Übergangsmetallion verwendet, wenn dieses abgelöst auftritt. Folglich werden mittels eines der Moleküle mehrere der Übergangsmetallionen gebunden.
In einer weiteren Alternative umfasst das Molekül eine Porphyrin-Gruppe. Mit anderen Worten umfasst das Molekül Porphyrin, das an weitere Bestandteile gebunden ist, beispielsweise an einen zyklischen oder linearen Rest. Mittels der Porphyrin-Gruppe wird ebenfalls ein Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion gebildet, wenn diese aufeinandertreffen. Zum Beispiel wird hierbei bei dem Molekül jeweils der gleiche Rest herangezogen, oder das Molekül weist mehrere Porphyrin -Gruppen auf, die an unterschiedliche Reste gebunden sind.
In einer weiteren Alternative umfasst das Molekül eine Phthalocyanin-Gruppe. Auch diese Gruppe ist zum Eingehen eines Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion geeignet. Insbesondere ist hierbei die Phthalocyanin-Gruppe an einen weiteren Rest gebunden, beispielsweise einen linearen oder zyklischen Rest. Zum Beispiel wird hierbei bei dem Molekül jeweils der gleiche Rest herangezogen, oder das Molekül weist mehrere Phthalocyanin-Gruppen auf, die an unterschiedliche Reste gebunden sind.
Beispielsweise weist die Batteriezelle jeweils lediglich eines der oben genannten Moleküle auf. In einer weiteren Alternative sind in der Batteriezelle mehrere derartige Moleküle vorhanden, wobei eines der Moleküle zumindest zwei Nitril-Gruppen, eines der Moleküle eine Porphyrin-Gruppe und eines der Moleküle eine Phthalocyanin-Gruppe aufweist. Alternativ hierzu ist eines dieser Moleküle nicht vorhanden, also beispielsweise das mit den beiden Nitril-Gruppen, das mit der Porphyrin-Gruppe oder das mit der Phthalocyanin-Gruppe. Somit ist ein Binden des Übergangsmetallion auch bei unterschiedlichsten Betriebszuständen der Batteriezelle möglich, wobei bei unterschiedlichen Betriebszuständen jeweils die unterschiedlichen Moleküle bevorzugt den Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion binden. Auch ist auf diese Weise sichergestellt, dass ein freies Übergangsmetallion stets gebunden wird, auch wenn eines der Moleküle hierfür nicht zur Verfügung steht, beispielsweise aufgrund einer Verunreinigung und/oder der Auflösung und/oder des Auflösens eines dieser Moleküle.
Beispielsweise besteht das Molekül lediglich aus der Gruppe, die zum Eingehen eines Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion geeignet ist. Besonders bevorzugt jedoch umfasst das Molekül eine Oberflächengruppe, die an die jeweilige Oberfläche gebunden ist, also an die Oberfläche des Leitadditivs oder die Oberfläche des Separators. Insbesondere ist die Oberflächengruppe kovalent an das Leitadditiv bzw. den Separator gebunden. Die Oberflächengruppe umfasst hierbei besonders bevorzugt eine OH, O^--, -COOH-, -CH=O oder eine Anhydrid-Gruppe. Aufgrund der Oberflächengruppe ist ein Anhaften an dem Leitadditiv bzw. dem Separator verbessert, sodass ein ungewolltes Ablösen des Moleküls und/oder des Chelatkomplexes von dem Leitadditiv bzw. dem Separator vermieden ist. Somit ist verhindert, dass diese zu der Anode bewegt werden, was dort eine Kapazität verringert könnte. Zudem ist es möglich, die Oberflächengruppe auf das jeweils verwendete Leitadditiv bzw. den verwendeten Separator anzupassen, wohingegen die weiteren Bestandteile des Moleküls, die zum Eingehen des Chelatkomplexes verwendet werden, nicht verändert werden müssen. Somit ist es möglich, eine Vielzahl unterschiedlicher Moleküle bereitzustellen, die je nach verwendeten Materialien der Batteriezelle verwendet werden können. Somit ist eine Flexibilität erhöht.
Zum Beispiel ist die Oberflächengruppe bereits vor dem Eingehen einer Verbindung mit der Oberfläche des Leitadditivs bzw. des Separators mit der Gruppe, die zum Eingehen eines Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion geeignet ist, verbunden. Besonders bevorzugt jedoch ist die Oberflächengruppe zunächst losgelöst von der Gruppe, die zum Eingehen eines Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion geeignet ist, und/oder an das Leitadditiv bzw. den Separator gebunden, und insbesondere ist die jeweilige Oberfläche mit der jeweiligen Oberflächengruppe versehen. Mit anderen Worten ist die Oberflächengruppe zunächst an die Oberfläche des Leitadditivs bzw. Separator gebunden, wohingegen die Gruppe, die zum Eingehen eines Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion geeignet ist, nicht mit der Oberflächengruppe chemisch gebunden ist. Bei der Herstellung lagerte sich die Gruppe, die zum Eingehen eines Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion geeignet ist, an der Oberflächengruppe an, sodass das Molekül gebildet wird.
Beispielsweise ist das Übergangsmetallion Mangan, Cobalt oder Nickel. Somit ist eine Energiedichte der Batteriezelle erhöht. Insbesondere liegt hierbei das Übergangsmetallion zweifach oder dreifach positiv geladen in dem Aktivmaterial vor. Besonders bevorzugt ist das Aktivmaterial LiaNixMnyCo1-x-yO2, wobei a zwischen 0,8 und 1,5 ist, und für x, y entsprechende Werte gewählt sind. Mit anderen Worten weist das Aktivmaterial mehrere Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt und Sauerstoffatome auf. Alternativ ist das Aktivmaterial LiaNixCoyAl1-x-yO2, wobei a zwischen 0,8 und 1,5 ist, und für x, y entsprechende Werte gewählt sind. Zum Beispiel ist das Aktivmaterial LiFePO4 oder LiNixMn2-xO4.
Das Verfahren dient der Herstellung einer Batteriezelle, die eine Anode und eine Kathode sowie einen dazwischen angeordneten Separator aufweist. Die Kathode weist ein Aktivmaterial auf, das ein Übergangsmetallion umfasst. Auch weist die Kathode ein kohlenstoffbasiertes Leitadditiv auf. Die Oberfläche des Separators oder die Oberfläche des Leitadditivs sind mit einem ein Stickstoffatom aufweisenden Molekül versehen, das zum Eingehen eines Chelatkomplexes mit dem Übergangs geeignet ist. Zum Beispiel sind sowohl die Oberfläche des Separators als auch die Oberfläche des Leitadditivs mit dem Molekül versehen.
Das Verfahren sieht vor, dass zunächst das Aktivmaterial und das kohlenstoffbasierte Leitadditiv sowie das Molekül zu einer Paste vermischt werden. Somit liegt das Molekül in der Paste vor, und das Molekül kann sich beispielsweise an der Oberfläche des Leitadditivs anlagern/eine chemische Verbindung eingehen. In einer Variante wird zunächst das kohlenstoffbasiertes Leitadditiv mit dem Molekül vermischt. Nachfolgend erfolgt die Vermischung mit dem Aktivmaterial, sodass die Paste gebildet ist. Hierbei liegt zwischen den einzelnen Schritten beispielsweise eine bestimmte Zeitspanne. Alternativ hierzu wird zunächst das kohlenstoffbasiertes Leitadditiv und das Aktivmaterial vermischt und anschließend das Molekül dazu gemischt. In einer weiteren Alternative erfolgt zunächst das Vermischen des Aktivmaterials mit dem Leitadditiv, und das Molekül wird erst im Anschluss dazugegeben. In einer weiteren Alternative werden sämtliche drei Bestandteile gleichzeitig zu der Paste vermischt.
Insbesondere sieht das Verfahren vor, dass die Paste auf einen Ableiter der Kathode, besonders bevorzugt eine Aluminiumfolie, als eine Schicht aufgebracht wird und dort zweckmäßigerweise mittels eines Kalandrierprozesses verdichtet wird. Vorzugsweise wird ein etwaiges, in der Paste vorliegendes Lösungsmittel entfernt. Mittels des Kalandrierprozesses wird eine bestimmte Dicke der Schicht eingestellt. Geeigneterweise wird nachfolgend auf die Schicht der Separator aufgebracht.
Besonders bevorzugt wird ein weiteres Molekül herangezogen, das eine weitere Gruppe aufweist und beispielsweise aus der weiteren Gruppen gebildet ist. Die weitere Gruppe ist an das Molekül gebunden, beispielsweise kovalent. Hierbei ist das Molekül mit der weiteren Gruppe gebunden, bevor und zum Beispiel auch während das Molekül mit den weiteren Bestandteilen der Paste, nämlich dem Aktivmaterial und dem Leitadditiv, vermischt wird. Mittels der weiteren Gruppe ist es möglich, eine Anlagerung des Moleküls an dem Leitadditiv bzw. dem Separator, also das Eingehen einer chemischen Verbindung, zu verbessern. Mit anderen Worten dient die weitere Gruppe dem Sicherstellen, dass sich das Molekül tatsächlich an der Oberfläche des Leitadditivs oder des Separators anlagert. Alternativ oder in Kombination hierzu dient die weitere Gruppe der Sicherstellung, dass das Molekül mit den weiteren Materialien sicher vermischt wird, sodass beispielsweise eine Homogenität der Paste erhöht ist.
Beispielsweise verbleibt die weitere Gruppe nach dem Vermischen in der Paste und beispielsweise in der Batteriezelle. Besonders bevorzugt jedoch wird dieses nach dem Vermischen entfernt, insbesondere mittels Waschens oder Erhitzens. Mit anderen Worten wird das weitere Molekül aufgelöst. Insbesondere wird hierbei die weitere Gruppe verdampft. Somit liegt die weitere Gruppe, die nicht für den Betrieb der Batteriezelle genutzt wird, in dieser nicht mehr oder lediglich in vergleichsweise geringem Umfang vor.
Besonders bevorzugt wird als weitere Gruppe ein -N₂ ⁺(Dinitrogen), -OR₂ ⁺ (Alkylether) oder - OSO₂CF₃ (Triflat) herangezogen. Diese sind vergleichsweise kostengünstig darstellbar und weisen eine vergleichsweise geringe Gefährdung der Umwelt auf. Insbesondere ist der Rest des Alkylether ein linearer oder verzweigter Rest.
Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, wobei zunächst die Oberfläche des Separators mit dem Molekül versehen wird. Anschließend wird der Separator mit der bereits mit der Schicht versehene Elektrode verbunden, wobei beispielsweise die Elektrode frei von dem Molekül ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Paste, die ein ein Übergangsmetallion aufweisendes Aktivmaterial und ein kohlenstoffbasiertes Leitadditiv sowie ein ein Stickstoffatom aufweisendes Molekül umfasst, das zum Eingehen eines Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion geeignet ist.
Vorzugsweise ist die Paste mittels Vermischens des Aktivmaterials, des Leitadditivs sowie des Moleküls erstellt. Zum Beispiel ist hierbei in der Paste ein weiteres Molekül vorhanden, das eine weitere Gruppe aufweist, an die das Molekül gebunden ist.
Die im Zusammenhang mit der Batteriezelle beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren/die Paste und untereinander zu übertragen und umgekehrt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug, das eine Hochvoltbatterie mit mehreren baugleichen Batteriezellen aufweist,
2 in einer Schnittdarstellung schematisch eine der zueinander baugleichen Batteriezellen,
3 ein Verfahren zur Herstellung der Batteriezelle,
4 eine Variante eines Moleküls, das zum Eingehen eines Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion geeignet ist, und das mit einer weiteren Gruppe gebunden ist,
5 ein Leitadditiv, dessen Oberfläche mit dem Molekül versehen ist,
6 das Leitadditiv, wobei das Molekül und ein Übergangsmetallion einen Chelatkomplex bilden,
7, 8 gemäß 5 bzw. 6 das Leitadditiv mit einem abgeänderten Molekül, und
9, 10 gemäß 5 bzw. 6 das Leitadditiv mit einer weiteren Variante des Moleküls.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 in Form eines Personenkraftwagens (Pkw) dargestellt. Das Kraftfahrzeug 2 weist eine Anzahl an Rädern 4 auf, von denen zumindest einige mittels eines Antriebs 6 angetrieben sind, der einen Elektromotor umfasst. Somit ist das Kraftfahrzeug 2 ein Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Fahrzeug. Der Antrieb 6 weist einen Umrichter auf, mittels dessen der Elektromotor bestromt ist. Der Umrichter des Antriebs 6 wiederum ist mittels eines Energiespeichers 8 in Form einer Hochvoltbatterie bestromt. Hierfür ist der Antrieb 6 mit einer Schnittstelle 10 des Energiespeichers 8 verbunden, die in ein Gehäuse 12 des Energiespeichers 8 eingebracht ist, das aus einem Edelstahl erstellt ist. Innerhalb des Gehäuses 12 des Energiespeichers 8 sind mehrere Batteriemodule angeordnet, von denen ein Teil der Batteriemodule zueinander elektrisch in Reihe und diese wiederum elektrisch zueinander parallel geschaltet sind. Der elektrische Verband der Batteriemodule ist mit der Schnittstelle 10 elektrisch kontaktiert, sodass bei Betrieb des Antriebs 6 ein Entladen oder Laden (Rekuperation) der Batteriemodule erfolgt. Aufgrund der elektrischen Verschaltung ist dabei die an der Schnittstelle 10 bereitgestellte elektrische Spannung, die 400 V beträgt, ein Vielfaches der mit den zueinander baugleichen Batteriemodule jeweils bereitgestellten elektrischen Spannung.
Jedes der Batteriemodule wiederum umfasst mehrere Batterien, die elektrisch miteinander zum Teil parallel und anderenfalls elektrisch in Reihe geschaltet sind, sodass die mittels jedes Batteriemoduls bereitgestellte elektrische Spannung einem Vielfachen der mittels einer der Batterien bereitgestellten elektrischen Spannung beträgt. Jede der zueinander baugleichen Batterien umfasst eine oder mehrere Batteriezellen 14, von denen hier zwei dargestellt sind. Die Batteriezellen 14 jeder Batterie sind ebenfalls zueinander zumindest teilweise elektrisch parallel und/oder elektrisch in Reihe geschaltet.
In 2 ist in einer Schnittdarstellung eine der zueinander baugleichen Batteriezellen 14 dargestellt. Die Batteriezelle 14 weist eine Anode 16 und eine Kathode 18 aufweist, die jeweils flächig ausgestaltet sind, und zwischen denen ein Separator 20 angeordnet ist und an diesen anliegt. Die Anode 16 und die Kathode 18 weisen jeweils einen Ableiter 22 auf, der auch als Träger bezeichnet wird, und der jeweils eine Metallfolie ist. Im Fall der Anode 16 ist der Ableiter 22 eine Kupferfolie, und im Fall der Kathode 18 ist der Ableiter 22 eine Aluminiumfolie. Die Ableiter 22 sind zumindest auf der dem Separator 20 zugewandten Seite jeweils mit einer Schicht 24 versehen, die ein Aktivmaterial 26, ein Leitadditiv 28 und einen nicht näher dargestellten Binder umfasst. Das Aktivmaterial 26 der Kathode 18 ist NMC811 (LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2) und enthält somit mehrere Übergangsmetallionen 30 (5 -10), nämlich ein zweifach positiv geladenes Manganatom Mn sowie ein positiv geladenes Cobaltatom und ein positiv geladenes Nickelatom. Das Leitadditiv 28 sowohl der Anode 16 als auch der Kathode 18 ist kohlenstoffbasiert und zwar jeweils Leitruß.
Die Batteriezelle 14 ist mit einem flüssigen Elektrolyten befüllt, mittels dessen die für den Betrieb der Batteriezelle 14 erforderlichen Arbeitsionen, nämlich Lithium-Ionen, bereitgestellt werden. Hierfür weist der Elektrolyt ein lithiumhaltiges Leitsalz, nämlich LiPF6, auf, das gelöst in einem organischen Lösungsmittel, nämlich einem organischen Carbonat, vorliegt. Hierbei ist es möglich, dass die Übergangsmetallionen 30 sich in dem Elektrolyten lösen.
In 3 ist ein Verfahren 32 zur Herstellung der Batteriezellen 14 dargestellt. In einem ersten Arbeitsschritt 34 wird zunächst das Aktivmaterial 26, das mehrere Übergangsmetallionen 30 aufweist, sowie das kohlenstoffbasierte Leitadditiv 28 und ein weiteres Molekül 36 zu einer Paste 38 vermischt. Insbesondere wird hierbei der Paste 38 zusätzlich noch der etwaige Binder eingemischt. Die Paste 38 ist auf die Verwendung bei der Kathode 18 angepasst, und das Aktivmaterial 26 ist somit NMC811.
Das weitere Molekül 36 ist in 4 gezeigt und weist eine weitere Gruppe LG auf, wobei hierfür -N₂ ⁺(Dinitrogen), -OR₂ ⁺ (Alkylether) oder -OSO₂CF₃ (Triflat) herangezogen wird. An die weitere Gruppe LG ist ein Molekül 40 gebunden, das zwei Nitril-Gruppen 42 aufweist, also jeweils ein Stickstoffatom N, das dreifach mit einem Kohlenstoffatom C gebunden ist. Die beiden Nitril-Gruppen 42 sind jeweils über einen Rest R1 bzw. R2 miteinander sowie der weiteren Gruppe LG verbunden. In einer nicht näher dargestellten Variante ist eine zusätzliche Nitril-Gruppe 42 oder mehrere weitere Nitril-Gruppen 42 vorhanden. Weitere Bestandteile weist das weitere Molekül 36 nicht auf, sodass dieses aus dem Molekül 40 und der weiteren Gruppe LG besteht.
In einem sich anschließenden zweiten Arbeitsschritt 44 wird die Paste 38 auf den Ableiter 22 der Kathode 18 flächig aufgetragen. Zudem erfolgt ein Kalandrierprozess, mittels dessen aus der Paste 28 die Schicht 24 erstellt wird. Ferner wird der Separator 20 auf der auf diese Weise erstellten Schicht 24 befestigt.
In einem sich anschließenden dritten Arbeitsschritt 46 wird die weitere Gruppe LG entfernt. Hierfür wird die Schicht 24 erwärmt, sodass die weitere Gruppe LG verdampft. Infolgedessen lagert sich das Molekül 40 an der der Schicht 24 zugewandten Oberfläche des Separator 20 ab, die mittels einer Keramik bereitgestellt ist. Auch ist es möglich, dass sich das Molekül 40 an der Oberfläche des kohlenstoffbasierten Leitadditivs 28 anlagert. Hierbei ist es bereits möglich, dass während des ersten Arbeitsschritts 34, also während des Vermischens, das weitere Molekül 36 aufgespalten wird und somit das Molekül 40 frei von der weiteren Gruppe LG vorhanden ist. Auch ist es möglich, dass die Aufspaltung des weiteren Moleküls 36 aufgrund einer Wechselwirkung mit der jeweiligen Oberfläche erfolgt.
In einer bevorzugten Alternative ist vor dem Eingehen der chemischen Bindung des Moleküls 40 mit dem Separator 20 bzw. dem Leitadditiv 28 an deren jeweilige Oberfläche nicht näher dargestellte Oberflächengruppe chemisch gebunden, die eine -OH, O^--, -COOH-, -CH=O oder eine Anhydrid-Gruppe aufweist. An die Oberflächengruppe bindet sich nach oder bei dem Vermischen das Molekül 40 oder beispielsweise das weitere Molekül 36, wobei beim Eingehen der Verbindung bereits beispielsweise die chemische Verbindung mit der weiteren Gruppe LG gelöst wird. Somit weist das Molekül 40 nachfolgend die Oberflächengruppe auf, die an die Oberfläche des Separator 20 bzw. des Leitadditivs 28 gebunden ist. In diesem Fall weist somit das in dem erste Arbeitsschritt 34 bereitgestellt weitere Molekül 36 noch nicht das vollständige Molekül 40 auf, sondern lediglich einen Teil hiervon, nämlich beispielsweise lediglich oder zumindest Gruppe, die zum Eingehen eines Chelatkomplexes mit dem Übergangsmetallion geeignet ist. Das Molekül 40 selbst wird erst während des Verfahrens 32 vollständig erstellt.
Zusammenfassend ist entweder die Oberfläche des Separators 20 oder des Leitadditivs 28 der Kathode 18 mit dem Molekül 40 versehen. Auch ist es möglich, dass beide Oberflächen jeweils mit dem Molekül 40 versehen sind. Hierbei bindet sich die nicht näher dargestellte Oberflächengruppe des Moleküls 40 mit der jeweiligen Oberfläche, sodass die Nitril-Gruppen 42 nicht mit dem Leitadditiv 28 bzw. dem Separator 20 direkt gebunden sind.
In 5 ist ein Partikel des Leitadditivs 28 ausschnittsweise dargestellt, an dessen Oberfläche insgesamt drei derartige Moleküle 40 kovalent gebunden sind. Hierbei weisen zwei der drei Moleküle 40 eine zusätzliche Nitril-Gruppe 42 und somit insgesamt drei Nitril-Gruppen 42 auf. Auch sind diese Moleküle 40 ansonsten zueinander gleich. Das weitere Molekül 40 weist lediglich zwei Nitril-Gruppen 42 auf. Auch unterscheiden sich die jeweiligen Reste R1 bis R5 der Moleküle 40. Falls während des Betriebs der Batteriezelle eines der Übergangsmetallionen 30, in der dargestellten Variante zwei zweifach positivgeladene Manganatome Mn, auf das Leitadditiv 28 treffen, werden diese mittels der Nitril-Gruppen 42 gebunden, sodass jeweils ein Chelatkomplex 48 erstellt ist, wie in 6 dargestellt. Bei der in 6 dargestellten Variante wird einer der Chelatkomplexe 48 mittels zweier der Moleküle 40 und der andere Chelatkomplex 48 lediglich mittels eines der Moleküle 40 erstellt.
Zusammenfassend ist somit das Molekül 40 zum Eingehen des Chelatkomplexes 48 mit dem Übergangsmetallion 30 geeignet. Dabei ist es möglich, dass lediglich eine Art von Molekül 40 vorhanden ist, das beispielsweise lediglich die zwei oder lediglich die drei Nitril-Gruppen 42 aufweist. In einer weiteren Alternative werden unterschiedliche Moleküle 40 zu der Paste 38 vermischt, wobei jedoch sämtliche der Moleküle 40 stets das Stickstoffatom N aufweisen und zum Eingehen des Chelatkomplexes 48 mit dem Übergangsmetallion 30 geeignet sind. Dabei ist es zudem möglich, dass lediglich Teile des Moleküls 40 hierfür verwendet werden, und beispielsweise zwei derartige Moleküle 40 zur Ausbildung eines gemeinsamen Chelatkomplexes 48 mit dem jeweiligen Übergangsmetallion 30 wechselwirken. In einer nicht näher dargestellten Variante sind die Moleküle 40 an der Oberfläche des Separators 20 gebunden, sodass anstatt an dem Leitadditiv 28 an dem Separator 20 die Chelatkomplexe 48 gebildet werden.
In 7 und 8 ist eine alternative Form des Moleküls 40 dargestellt. Das Molekül 40 weist dabei keine der Nitril-Gruppen 42, sondern eine Porphyrin-Gruppe 50 auf, die insgesamt vier Stickstoffatome N umfasst. An zweien hiervon ist jeweils ein Lithiumatom Li gebunden. Falls ein dreifachgeladenes Manganatom Mn als Übergangsmetallion 30 auf dieses trifft, werden die Lithiumatome Li freigesetzt, und das Manganatom Mn bildet mit dem verbleibenden Teil der Porphyrin-Gruppe 50 den Chelatkomplex 48.
In den 9 und 10 ist eine weitere Alternative dargestellt, wobei das Molekül 40 anstatt der Porphyrin-Gruppe 50 eine Phthalocyanin-Gruppe 52 umfasst. Auch hier sind an zwei der Stickstoffatome N der Phthalocyanin-Gruppe 52 zwei Lithiumatome Li gebunden. Falls nun ein zweifachgeladenes Manganatom Mn, das das Übergangsmetallion 30 darstellt, auf dieses Molekül 40 trifft, werden die beiden Lithiumatome Li abgelöst, und das Übergangsmetallion 30 bildet mit dem verbleibenden Teil des Moleküls 40 den Chelatkomplex 48.
Bei den in 7-10 dargestellten Varianten ist in einer nicht näher dargestellten Variante das Molekül 40 an der Oberfläche des Separators 20 angelagert und nicht an der Oberfläche des Leitadditivs 28. Bei sämtlichen Varianten ist es möglich, dass während des Betriebs der Batteriezelle 14 das Cobaltatom oder das Nickelatom anstatt dem Manganatom aus dem Aktivmaterial 26 herausgelöst wird. Auch dieses bildet mit dem Molekül 40 den Chelatkomplex 48, wenn diese aufeinandertreffen, wobei jedoch das Manganatom Mn durch das Cobaltatom bzw. das Nickelatom ausgetauscht ist.
Zusammenfassend wird bei Betrieb der Batteriezelle 14 aufgrund des Moleküls 40, das zum Eingehen des Chelatkomplexes 48 mit dem Übergangsmetallion 30 geeignet ist, das jeweilige Übergangsmetallion 30, sofern dieses aus dem Aktivmaterial 26 ausgelöst wird, erneut am Separator 20 oder bereits in der Kathode 18 gebunden. Somit gelangt das Übergangsmetallion 30 nicht zur Anode 16, was eine Funktionsweise der Batteriezelle 14 verschlechtern würde.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Kraftfahrzeug
4: Rad
6: Antrieb
8: Energiespeicher
10: Schnittstelle
12: Gehäuse
14: Batterie
16: Anode
18: Kathode
20: Separator
22: Ableiter
24: Schicht
26: Aktivmaterial
28: Leitadditiv
30: Übergangsmetallion
32: Verfahren
34: erster Arbeitsschritt
36: weiteres Molekül
38: Paste
40: Molekül
42: Nitril-Gruppe
44: zweiter Arbeitsschritt
46: dritter Arbeitsschritt
48: Chelatkomplex
50: Porphyrin-Gruppe
52: Phthalocyanin-Gruppe
C: Kohlenstoffatom
Li: Lithiumatom
N: Stickstoffatom
Mn: Manganatom
LG: weitere Gruppe
R, R1, R2, R3, R4, R5: Rest

Claims

Batteriezelle (14), die eine Kathode (18), eine Anode (16) und einen dazwischen angeordneten Separator (20) aufweist, wobei die Kathode (18) ein ein Übergangsmetallion (30) aufweisendes Aktivmaterial (26) und ein kohlenstoffbasiertes Leitadditiv (28) umfasst, und wobei die Oberfläche des Separators (20) oder die Oberfläche des Leitadditivs (28) mit einem ein Stickstoffatom (N) aufweisenden Molekül (40) versehen ist, das zum Eingehen eines Chelatkomplexes (48) mit dem Übergangsmetallion (30) geeignet ist.
Batteriezelle (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Molekül (40) zwei Nitril-Gruppen (42) aufweist.
Batteriezelle (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Molekül (40) eine weitere Nitril-Gruppen (42) umfasst.
Batteriezelle (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Molekül (40) eine Porphyrin-Gruppe (50) umfasst.
Batteriezelle (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Molekül (40) eine Phthalocyanin-Gruppe (52) umfasst.
Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Molekül (40) eine Oberflächengruppe aufweist, die an die Oberfläche gebunden ist, und die eine -OH, O^--, -COOH-, -CH=O oder eine Anhydrid-Gruppe aufweist.
Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangsmetallion (30) Mangan, Cobalt oder Nickel ist.
Verfahren (32) zur Herstellung einer Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein Übergangsmetallion (30) aufweisendes Aktivmaterial (26) und ein kohlenstoffbasiertes Leitadditiv (28) sowie ein ein Stickstoffatom (N) aufweisendes Molekül (40), das zum Eingehen eines Chelatkomplexes (48) mit dem Übergangsmetallion (30) geeignet ist, zu einer Paste (38) vermischt werden.
Verfahren (32) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Molekül (36) herangezogen wird, das eine weitere Gruppe (LG) aufweist, an die das Molekül (40) gebunden ist, wobei nach dem Vermischen die weitere Gruppe (LG) entfernt wird.
Verfahren (32) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Gruppe (LG) -N₂ ⁺, -OR₂ ⁺ oder -OSO₂CF₃ herangezogen wird.