DE102021209121B4 - Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung einer Elektrode und bereitgestellte Elektrode - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung einer Elektrode bereitgestellt. Durch das Verfahren ist eine Elektrode herstellbar, die eine hohe mechanische Stabilität aufweist und die eine hohe spezifische Kapazität bereitstellt. Das Verfahren ermöglicht zudem die Herstellung einer Elektrode, die als Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet werden kann, ohne dass es zu einem instabilen Betrieb mit unerwünschten und irreversiblen Degradationsreaktionen kommt. Es wird zudem eine Elektrode bereitgestellt, welche die oben genannten Vorteile aufweist. Darüber hinaus werden Verwendungen der erfindungsgemäßen Elektrode vorgeschlagen.

Description

  • Es wird ein Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung einer Elektrode bereitgestellt. Durch das Verfahren ist eine Elektrode herstellbar, die eine hohe mechanische Stabilität aufweist und die eine hohe spezifische Kapazität bereitstellt. Das Verfahren ermöglicht zudem die Herstellung einer Elektrode, die als Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet werden kann, ohne dass es zu einem instabilen Betrieb mit unerwünschten und irreversiblen Degradationsreaktionen kommt. Es wird zudem eine Elektrode bereitgestellt, welche die oben genannten Vorteile aufweist. Darüber hinaus werden Verwendungen der erfindungsgemäßen Elektrode vorgeschlagen.
  • In der Herstellung von Batterieelektroden müssen 50 - 100 µm dicke Schichten mit hohen Bahngeschwindigkeiten auf metallische Stromableiter aufgetragen werden. Dies erfolgt regelmäßig mittels nasschemischen Rolle-zu-Rolle-Auftrags aus Suspensionen von Aktivmaterialien in wässrigen oder organischen Lösemitteln. Als Anodenbinder in solchen nasschemischen, d.h. lösungsmittelbasierten, Verfahren werden im Stand der Technik häufig CMC/SBR oder PVDF eingesetzt. In wissenschaftlichen Publikationen finden sich zudem eine Vielzahl von Alternativen, darunter auch Polyamide wie das Polypeptid Sericin. Nasschemische Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass für die Herstellung einer Elektrode (z.B. einer Anode) sowohl für das Dispergieren des Materials (z.B Aktivmaterials) als auch für das Trocknen der hergestellten Batterieelektrodenschicht ein hoher Energieeintrag notwendig ist.
  • Es stellt einen energetischen Vorteil dar, Elektrodenschichten lösemittelfrei, also über ein trockenes Herstellungsverfahren, herzustellen. Dafür müssen trockene Pulvergemische aus Aktivmaterial, Leitadditiven und geeigneten Bindern in mechanisch belastbare Schichten überführt werden. Als Binder wird in diesen Verfahren im Stand der Technik gewöhnlich Polytetrafluorethylen (PTFE) eingesetzt, von dem bekannt ist, dass es unter Einwirkung von Scherkräften Fibrillen ausbildet (siehe z.B. WO 2018/210723 A1 ). Der Nachteil von PTFE als Binder für Elektrodenmaterialien in trockenchemischen Verfahren ist jedoch, dass PTFE im Falle von Lithium-Ionen-Batterien nur für die Binder von Kathoden verwendet werden kann. Grund hierfür ist, dass PTFE als Binder in Anoden bei einem Anodenpotential nahe 0V (Li/Li+) elektrochemisch instabil ist und beim Betrieb ungewünschte und irreversible Degradationsreaktionen bewirkt.
  • Als Alternative zur Verwendung von PTFE in trockenchemischen Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenschicht ist bekannt, PVDF und Polyolefine zu verwenden (siehe z.B. US 7 883 553 B2 ). Der Nachteil an der Verwendung von diesen Bindern ist allerdings, dass der Binderanteil hoch sein muss, um eine ausreichende mechanische Stabilität der hergestellten Elektrodenschicht zu gewährleisten, was zu Lasten der erreichbaren Kapazität der Elektrode geht. Zudem gestaltet sich die Prozessierbarkeit im Falle dieser Binder deutlich schwieriger.
  • Für die Herstellung einer Elektrode über den energetisch vorteilhaften Trockenprozess ist im Stand der Technik bislang kein Binder für Anoden bekannt, der einerseits eine hohe mechanische Stabilität der hergestellten Anode gewährleisten kann und andererseits in niedrigen Anteilen eingesetzt werden kann, um hohe Kapazitäten der hergestellten Anode zu ermöglichen.
  • Die US 2019/0280289 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenfilms umfassend ein Mischen von teilchenförmigen Materialien und fibrillierbaren Polymeren mit leitfähigen Flocken zu einer Paste, ein Fibrillieren der fibrillierbaren Polymere und ein Extrudieren und Rollen der Paste zu einem selbsttragenden Elektrodenfilm.
  • Die DE 695 32 044 T2 offenbart Kohlenstofffibrillen, die durch chemische Substitution oder durch Adsorption gleichförmig oder ungleichförmig mit einem Peptid funktionalisiert sein können.
  • Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung einer Elektrode und zudem eine Elektrode bereitzustellen, welche die im Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet. Insbesondere sollte es mit dem Verfahren möglich sein, eine Elektrode bereitzustellen, die eine hohe mechanische Stabilität aufweist, eine hohe spezifische Kapazität bereitstellen kann und beim Einsatz als Anode in Lithium-lonen-Batterien einen stabilen Betrieb ohne unerwünschte und irreversible Degradationsreaktionen ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, die Elektrode mit den Merkmalen von Anspruch 12 und die Verwendung mit den Merkmalen von Anspruch 15. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen auf.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung einer Elektrode bereitgestellt, umfassend oder bestehend aus den folgenden Schritten:
    1. a) Bereitstellen eines trockenen Pulvergemisches zur Herstellung einer Elektrode, enthaltend oder bestehend aus:
      • mindestens ein Aktivmaterial für eine Elektrode,
      • mindestens ein elektrisch leitfähiges Additiv, und
      • mindestens ein Binder; und
    2. b) Einwirken einer mechanischen Kraft auf das Pulvergemisch, wobei aus dem trockenen Pulvergemisch ein Trockenfilm ausgebildet wird;
    wobei
    der mindestens eine Binder ein Polyamid enthält oder daraus besteht, das dazu geeignet ist, unter Einwirkung einer mechanischen Kraft Fibrillen auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyamid ein Polypeptid enthält oder daraus besteht.
  • Unter dem Begriff „trockenes Pulvergemisch“ ist ein Pulvergemisch gemeint, das frei von Lösungsmitteln (z.B. frei von Wasser) ist. Unter dem Begriff „Polyamid“ werden auch Moleküle verstanden, die eine sich wiederholende Peptidbindung (-CO-NH-Bindung) aufweisen, d.h. unter diesem Begriff werden auch Polypeptide bzw. Proteine verstanden.
  • Der mindestens eine Binder des in Schritt a) bereitgestellten trockenen Pulvergemisches kann bereits teilweise fibrilliert vorliegen. Beispielsweise kann das trockene Pulvergemisch bei seiner Bereitstellung mechanisch geschert werden, sodass aus dem mindestens einen Binder teilweise Fibrillen entstehen. Dieses Pulvergemisch kann dann (optional nach einer erneuten Zerkleinerung) in Schritt b) für die Ausbildung des Trockenfilms eingesetzt werden, wobei aufgrund der dabei einwirkenden mechanischen Kraft weitere Fibrillen aus dem Binder entstehen.
  • Die in dem Verfahren eingewirkte mechanische Kraft auf das Trockenpulvergemisch umfasst insbesondere eine Presskraft und eine Scherkraft, oder besteht daraus.
  • Es wurde gefunden, dass in diesem trockenchemischen Verfahren bereits sehr geringe Anteile von dem Binder im trockenen Pulvergemisch zu einer Elektrode führen, die sich durch eine hohe mechanische Stabilität auszeichnet. Aufgrund der Möglichkeit, geringe Binderanteile einzusetzen, kann die hergestellte Batterieelektrodenschicht eine hohe spezifische Kapazität aufweisen. Zudem weist die über dieses trockenchemische Verfahren mit dem Polyamid-basierten Binder hergestellte Elektrode gegenüber einer mit einem PTFE-basierten Binder hergestellten Elektrode den Vorteil auf, dass sie bei einer Verwendung als Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie einen stabilen Betrieb ohne unerwünschte und irreversible Degradationsreaktionen ermöglicht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Polypeptid ein Polypeptid ist, das dazu geeignet ist, unter Einwirkung von mechanischer Kraft eine β-Faltblatt-Sekundärstruktur auszubilden. Es wird vermutet, dass die Eignung des Polypeptids, unter Einwirkung von mechanischer Kraft Fibrillen auszubilden, in dessen Eignung begründet ist, unter Einwirkung von mechanischer Kraft eine β-Faltblatt-Sekundärstruktur auszubilden. Besonders bevorzugt ist das Polypeptid ein Seidenpolypeptid (insbesondere Seidenprotein), wobei das Seidenpolypeptid (insbesondere Seidenprotein) ganz besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sericin, Fibroin, Spinnenseidenpolypeptid (insbesondere Spinnseidenprotein) und Kombinationen hiervon. Insbesondere ist das Seidenpolypeptid (bzw. Seidenprotein) Sericin, bevorzugt unhydrolisiertes Sericin. Der Vorteil an unhydrolyisertem Sericin ist, dass die molekulare Kettenlänge des Polypeptids (d.h. sein Molekulargewicht) größer ist als bei hydrolysiertem Sericin, wodurch eine Fibrillenbildung erst möglich wird bzw. in dem erfindungsgemäßen Verfahren längere Fibrillen erzeugt werden, was die mechanische Stabilität der produzierten Elektrode erhöht.
  • Der mindestens eine Binder des trockenen Pulvergemisches bildet durch das Einwirken der mechanischen Kraft auf das Pulvergemisch in Schritt b) bevorzugt zumindest teilweise Fibrillen aus. Die ausgebildeten Fibrillen erhöhen die mechanische Stabilität der hergestellten Elektrodenschicht.
  • Der mindestens eine Binder des trockenen Pulvergemisches kann in einer Konzentration von 0,1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bevorzugt 1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht des Pulvergemisches, in dem trockenen Pulvergemisch vorliegen. Je niedriger die Konzentration (bzw. der Anteil) des Binders in dem trockenen Pulvergemisch ist, desto höher ist die spezifische Kapazität der über das Verfahren bereitgestellten Elektrode, da der relative Anteil an Aktivmaterial entsprechend höher ausfällt.
  • Das mindestens eine Aktivmaterial des trockenen Pulvergemisches kann ein Aktivmaterial für eine Anode sein, bevorzugt ein Aktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, Silizium, Kombinationen hiervon und Kompositmaterialien hiervon. Der Kohlenstoff ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Grafit, nicht-grafitisierbarem Kohlenstoff und Kombinationen hiervon.
  • Alternativ kann das mindestens eine Aktivmaterial des trockenen Pulvergemisches ein Aktivmaterial für eine Kathode sein, bevorzugt ein Aktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus LiCoO2, LiNiO2, LiFePO4, LiMnO2, LiMn2O4, Li2Mn3NiOs, Li4Ti5O12, Li2FeSiO4, Na2S, Na3V2(PO4)3, NaFePO4, Na2FePO4F, NaNiMnO2, Na2TiO7, NaTi2(PO4)3, LiNi1-XCoxO2 (wobei x im Bereich von 0 und 1 liegt), LiNixCoyMnzO2 (wobei x + y + z = 1 gilt), LiNixCoyAlzO2 (wobei x + y + z = 1 gilt), NaxMnO2 (wobei x zwischen 0,5 und 1 liegt), und Kombinationen hiervon.
  • Das mindestens eine Aktivmaterial des trockenen Pulvergemisches kann in einer Konzentration von 60 Gew.-% bis 99 Gew.-%, bevorzugt 76 Gew.-% bis 97 Gew.-%, besonders bevorzugt 86 Gew.-% bis 96 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 91 Gew.-% bis 95 Gew.-%, insbesondere 92 Gew.-% bis 94 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht des Pulvergemisches, in dem trockenen Pulvergemisch vorliegen. Je höher die Konzentration (bzw. der Anteil) an Aktivmaterial in dem trockenen Pulvergemisch ist, desto höher ist die erreichbare spezifische Kapazität der über das Verfahren bereitgestellten Elektrode.
  • Das mindestens eine elektrisch leitfähige Additiv des trockenen Pulvergemisches kann in einer Konzentration von 1 Gew.-% bis 35 Gew.-%, bevorzugt 1 Gew.-% bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 1,5 Gew.-% bis 10 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 2 Gew.-% bis 5 Gew.-%, insbesondere 2 Gew.-% bis 4 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht des Pulvergemisches, in dem trockenen Pulvergemisch vorliegen. Je niedriger die Konzentration (bzw. der Anteil) an elektrisch leitfähigem Additiv in dem trockenen Pulvergemisch ist, desto höher kann der Anteil an Aktivmaterial ausfallen, was die erreichbare spezifische Kapazität der über das Verfahren herstellbaren Elektrode erhöht. Der Konzentrationsbereich von 2 bis 4 Gew.-% stellt hierbei ein Optimum aus elektrischer Leitfähigkeit einerseits und erzielbarer Kapazität andererseits dar.
  • Das mindestens eine elektrisch leitfähige Additiv des trockenen Pulvergemisches kann einen Kohlenstoff enthalten oder daraus bestehen, wobei der Kohlenstoff bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstoffnanofasern, Kohlenstofffasern, Graphen und Kombinationen hiervon.
  • Bevorzugt ist das trockene Pulvergemisch frei von mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PTFE, PVDF, Carboxymethylcellulose, Styrol-Butadien-Kautschuk und Polyolefin, besonders bevorzugt frei von allen diesen Materialien.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) des Verfahrens ein Applizieren des trockenen Pulvergemisches in einen Kalanderspalt umfasst oder daraus besteht, wobei der Kalanderspalt von einer ersten rotierenden Walze und einer zweiten rotierenden Walze ausgebildet wird und wobei die zweite rotierende Walze eine höhere Drehumlaufgeschwindigkeit als die erste Walze aufweist. Der Trockenfilm wird hierbei in dem Kalanderspalt ausgebildet. Bevorzugt wird der entstandene Trockenfilm auf der ersten rotierenden Walze mitgeführt. Das Verhältnis der Drehumlaufgeschwindigkeit der zweiten Walze zur ersten Walze kann im Bereich von 10 : 1 bis 2 : 1 liegen (optional im Bereich von 9 : 1 bis 3 : 1). Die Walzen können einen gleichen oder einen verschiedenen Durchmesser aufweisen. Entscheidend ist, dass die Drehumlaufgeschwindigkeit der beiden Walzen, d.h. die Drehgeschwindigkeit an der jeweiligen Oberfläche der beiden Walzen am Kalanderspalt, unterschiedlich hoch ist.
  • Die Distanz von der ersten rotierenden Walze zur zweiten rotierenden Walze kann so eingestellt werden, dass der Kalanderspalt eine Breite im Bereich von 10 µm bis 200 µm, bevorzugt im Bereich von 20 µm bis 100 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 40 µm bis 60 µm, aufweist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst Schritt b) ein Anordnen des Trockenfilms auf einem flächigen elektrischen Leiter (z.B. einer Metallfolie). Durch dieses Anordnen entsteht ein Laminat einer Elektrode auf einem flächigen elektrischen Leiter.
  • Erfindungsgemäß wird ferner eine Elektrode bereitgestellt, enthaltend oder bestehend aus:
    1. a) einen Trockenfilm, der mindestens ein Aktivmaterial für eine Elektrode, mindestens ein elektrisch leitfähiges Additiv und mindestens einen Binder enthält oder daraus besteht; und
    2. b) Optional: einen flächigen elektrischen Leiter, auf dem der Trockenfilm angeordnet ist;
    wobei der mindestens eine Binder ein Polyamid enthält oder daraus besteht, das im Trockenfilm zumindest teilweise in Form von Fibrillen vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyamid ein Polypeptid enthält oder daraus besteht.
  • Die erfindungsgemäße Elektrode weist eine hohe mechanische Stabilität auf und ist dazu geeignet, aufgrund niedriger Binderanteile eine hohe spezifische Kapazität bereitzustellen. Bei einer Verwendung der Elektrode als Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie ermöglicht diese einen stabilen Betrieb ohne unerwünschte und irreversible Degradationsreaktionen.
  • Die Fibrillen in der Elektrode können einen Durchmesser im Bereich von > 0 nm bis < 1 µm, bestimmt über Rasterelektronenmikroskopie, aufweisen. Der Vorteil an diesem geringen Durchmesser ist, dass die Fibrillen im Verhältnis zu ihrem Volumen eine große Oberfläche exponieren, welche eine hohe Bindungswirkung zu dem Aktivmaterial bzw. dem elektrisch leitfähigen Additiv ermöglicht und die mechanische Stabilität verstärkt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsform wurde die Elektrode durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt. Die erfindungsgemäße Elektrode kann daher Merkmale aufweisen, die sich zwangsweise aufgrund der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben.
  • Letztlich wird die Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrode in einer Lithium-lonen-Batterie, bevorzugt in einer, oder als, Anode einer Lithium-Ionen-Batterie, vorgeschlagen.
  • Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten, spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
    • 1 zeigt schematisch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Zur Herstellung der Elektrodenschicht (bzw. des Trockenfilms) 1 wird ein trockenes Pulvergemisch 2 in einen Kalanderspalt 3 zwischen einer ersten Walze 4 und einer zweiten Walze 5 gegeben. Die erste Walze dreht sich mit einer ersten Drehumlaufgeschwindigkeit υ1 und die zweite Walze dreht sich mit einer zweiten Drehumlaufgeschwindigkeit υ2, wobei die zweite Drehumlaufgeschwindigkeit υ2 höher ist als die erste Drehumlaufgeschwindigkeit υ1. Durch den geringen Abstand der beiden Walzen 4, 5 und deren unterschiedliche Drehumlaufgeschwindigkeiten υ1, υ2 wird eine Presskraft und eine Scherkraft auf das trockene Pulvergemisch ausgeübt, die zur Bildung des Trockenfilms 1 führt, der Fibrillen des Binders aufweist. Der Trockenfilm 1 wird nach dem Passieren des Kalanderspalts 3 auf der ersten Walze 4 geführt und kann im Anschluss auf einen flächigen elekrischen Leiter (z.B. einen Metallfilm) appliziert werden.
    • 2 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer über das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Elektrodenschicht. Es ist in der Aufnahme erkennbar, dass das Polyamid in dem Binder (hier: das Polypeptid Sericin) aufgrund der mechanischen Krafteinwirkung während des Verfahrens Fibrillen mit einem Durchmesser im Submikrometerbereich ausgebildet hat. Die ausgebildeten Fibrillen erhöhen die mechanische Stabilität der Elektrodenschicht.
  • Beispiel 1 - Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens
  • Zu einer Mischung aus Aktivmaterial und elektrisch leitfähigem Additiv wird das Polypeptid Sericin hinzugefügt, wodurch ein trockenes Gemisch gebildet wird. Der Anteil an Sericin in diesem trockenen Gemisch beträgt in diesem Fall 3 Gew- %, bezogen auf die Gesamtmasse der Zusammensetzung. Das trockene Gemisch wird in einer XV-Mühle zerkleinert, wodurch ein trockenes Pulvergemisch 2 entsteht.
  • Anschließend wird unter Einwirkung einer mechanischen Kraft auf das trockene Pulvergemisch 2 ein Trockenfilm ausgebildet, indem das trockene Pulvergemisch 2 in einen Kalanderspalt 3 gegeben wird, der von einer ersten Walze 4 und einer zweiten Walze 5 ausgebildet wird. Die erste Walze 4 dreht sich mit einer ersten Drehumlaufgeschwindigkeit υ1 und die zweite Walze 5 dreht sich mit einer zweiten Drehumlaufgeschwindigkeit υ2., die höher ist als die erste Drehumlaufgeschwindigkeit υ1. Das Verhältnis der Drehumlaufgeschwindigkeit υ2: υ1 betrug hierbei 2 : 1. Die Trockenpulvermischung 2 wurde hierdurch zu einem Trockenfilm 1 gepresst und gestreckt, wobei der Trockenfilm 1 auf der ersten Walze 4 mitgeführt wurde. Der so entstandene Trockenfilm 1 stellt eine Elektrode dar.
  • Der Trockenfilm 1 kann anschließend von der ersten Walze 4 auf einem flächigen elektrischen Leiter (z.B. eine Metallfolie) transferiert werden (nicht in 1 gezeigt), wodurch ein Laminat entsteht. In diesem Fall wird ein auf dem flächigen elektrischen Leiter haftender Trockenfilm (Elektrodenfilm) erhalten.
  • Die Verwendung dieses Laminats in Lithium-lonen-Batteriezellen bestätigte, dass der Trockenfilm (Elektrodenfilm) nicht nur eine ausgezeichnete mechanische Stabilität aufwies, sondern aufgrund des niedrigen Bindergehalts auch eine hohe spezifische Kapazität. Der Einsatz des Laminats als Anode in Lithium-lonen-Batteriezellen hat ergeben, dass mit einer solchen Anode ein stabiler Betrieb dieser Batteriezellen möglich ist und es beim Betrieb solcher Batterien nicht zu ungewünschten und irreversiblen Degradationsreaktionen kommt.
  • Beispiel 2 - Beleg von Fibrillen in der erfindungsgemäßen Elektrode
  • Von der im Beispiel 1 hergestellten Elektrode wurde eine elektronenmikroskopische Aufnahme angefertigt (siehe 2).
  • Die Aufnahme zeigt, dass in der Elektrode Fibrillen ausgebildet wurden. Als Quelle für die Fibrillenbildung kommt nur das Polypeptid Sericin in Betracht, das in dem Trockenpulvergemisch als Binder eingesetzt wurde. Die ausgebildeten Fibrillen sind für die hohe mechanische Stabilität der Elektrodenschicht verantwortlich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Elektrodenschicht (bzw. Trockenfilm);
    2
    trockenes Pulvergemisch;
    3
    Kalanderspalt zwischen erster und zweiter Walze;
    4
    erste Walze;
    5
    zweite Walze;
    υ1
    Drehumlaufgeschwindigkeit der ersten Walze (υ1< υ2);
    υ2
    Drehumlaufgeschwindigkeit der zweiten Walze (υ2 > υ1).

Claims (15)

  1. Verfahren zur lösungsmittelfreien Herstellung einer Elektrode, umfassend oder bestehend aus den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines trockenen Pulvergemisches zur Herstellung einer Elektrode, enthaltend oder bestehend aus: mindestens ein Aktivmaterial für eine Elektrode, mindestens ein elektrisch leitfähiges Additiv, und mindestens ein Binder; und b) Einwirken einer mechanischen Kraft auf das Pulvergemisch, wobei aus dem trockenen Pulvergemisch ein Trockenfilm ausgebildet wird; wobei der mindestens eine Binder ein Polyamid enthält oder daraus besteht, das dazu geeignet ist, unter Einwirkung einer mechanischen Kraft Fibrillen auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyamid ein Polypeptid enthält oder daraus besteht.
  2. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Polypeptid ein Polypeptid ist, das dazu geeignet ist, unter Einwirkung von mechanischer Kraft eine β-Faltblatt-Sekundärstruktur auszubilden, wobei das Polypeptid besonders bevorzugt ein Seidenpolypeptid ist, wobei das Polypeptid ganz besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sericin, Fibroin, Spinnenseidenpolypeptid und Kombinationen hiervon, wobei das Polypeptid insbesondere Sericin, bevorzugt unhydrolisiertes Sericin, ist.
  3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Binder des trockenen Pulvergemisches i) durch das Einwirken der mechanischen Kraft auf das Pulvergemisch in Schritt b) zumindest teilweise Fibrillen ausbildet; und/oder ii) in einer Konzentration von 0,1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bevorzugt 1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht des Pulvergemisches, in dem trockenen Pulvergemisch vorliegt.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Aktivmaterial des trockenen Pulvergemisches ein Aktivmaterial für eine i) Anode ist, bevorzugt ein Aktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, Silizium, Kombinationen hiervon und Kompositmaterialien hiervon, wobei der Kohlenstoff insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Grafit, nicht-grafitisierbarem Kohlenstoff und Kombinationen hiervon; oder ii) Kathode ist, bevorzugt ein Aktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus LiCoO2, LiNiO2, LiFePO4, LiMnO2, LiMn2O4, Li2Mn3NiO8, Li4Ti5O12, Li2FeSiO4, Na2S, Na3V2(PO4)3, NaFePO4, Na2FePO4F, NaNiMnO2, Na2TiO7, NaTi2(PO4)3, LiNi1-xCoxO2 (wobei x im Bereich von 0 und 1 liegt), LiNixCoyMnzO2 (wobei x + y + z = 1 gilt), LiNixCoyAlzO2 (wobei x + y + z = 1 gilt), NaxMnO2 (wobei x zwischen 0,5 und 1 liegt), und Kombinationen hiervon.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Aktivmaterial des trockenen Pulvergemisches in einer Konzentration von 60 Gew.-% bis 99 Gew.-%, bevorzugt 76 Gew.-% bis 97 Gew.-%, besonders bevorzugt 86 Gew.-% bis 96 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 91 Gew.-% bis 95 Gew.-%, insbesondere 92 Gew.-% bis 94 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht des Pulvergemisches, in dem trockenen Pulvergemisch vorliegt.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrisch leitfähige Additiv des trockenen Pulvergemisches in einer Konzentration von 1 Gew.-% bis 35 Gew.-%, bevorzugt 1 Gew.-% bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 1,5 Gew.-% bis 10 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 2 Gew.-% bis 5 Gew.-%, insbesondere 2 Gew.-% bis 4 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht des Pulvergemisches, in dem trockenen Pulvergemisch vorliegt.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrisch leitfähige Additiv des trockenen Pulvergemisches einen Kohlenstoff enthält oder daraus besteht, wobei der Kohlenstoff bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstoffnanofasern, Kohlenstofffasern, Graphen und Kombinationen hiervon.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das trockene Pulvergemisch frei von mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PTFE, PVDF, Carboxymethylcellulose, Styrol-Butadien-Kautschuk und Polyolefin ist, bevorzugt frei von allen diesen Materialien ist.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) ein Applizieren des trockenen Pulvergemisches in einen Kalanderspalt umfasst oder daraus besteht, wobei der Kalanderspalt von einer ersten rotierenden Walze und einer zweiten rotierenden Walze ausgebildet wird, wobei die zweite rotierende Walze eine höhere Drehumlaufgeschwindigkeit als die erste Walze aufweist, wobei der Trockenfilm in dem Kalanderspalt ausgebildet wird und bevorzugt auf der ersten rotierenden Walze mitgeführt wird.
  10. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz von der ersten rotierenden Walze zur zweiten rotierenden Walze so eingestellt wird, dass der Kalanderspalt eine Breite im Bereich von 10 µm bis 200 µm, bevorzugt im Bereich von 20 µm bis 100 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 40 µm bis 60 µm, aufweist.
  11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) ein Anordnen des Trockenfilms auf einem flächigen elektrischen Leiter umfasst.
  12. Elektrode, enthaltend oder bestehend aus: a) einen Trockenfilm, der mindestens ein Aktivmaterial für eine Elektrode, mindestens ein elektrisch leitfähiges Additiv und mindestens einen Binder enthält oder daraus besteht; und b) Optional: einen flächigen elektrischen Leiter, auf dem der Trockenfilm angeordnet ist; wobei der mindestens eine Binder ein Polyamid enthält oder daraus besteht, das im Trockenfilm zumindest teilweise in Form von Fibrillen vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyamid ein Polypeptid enthält oder daraus besteht.
  13. Elektrode gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fibrillen einen Durchmesser im Bereich von > 0 nm bis < 1 µm, bestimmt über Rasterelektronenmikroskopie, aufweisen.
  14. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt wurde.
  15. Verwendung der Elektrode gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14 in einer Lithium-Ionen-Batterie, bevorzugt in einer, oder als, Anode einer Lithium-lonen-Batterie.
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