WO2013152906A1 - Elektrochemischer energiespeicher und verfahren zum herstellen desselben - Google Patents

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WO2013152906A1
WO2013152906A1 PCT/EP2013/054638 EP2013054638W WO2013152906A1 WO 2013152906 A1 WO2013152906 A1 WO 2013152906A1 EP 2013054638 W EP2013054638 W EP 2013054638W WO 2013152906 A1 WO2013152906 A1 WO 2013152906A1
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WO
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electrode assembly
electrochemical energy
energy store
aerosol
separator layer
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PCT/EP2013/054638
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Ulrich Eisele
Imke Heeren
Alan Logeat
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an electrochemical energy store and to an electrochemical energy store.
  • a lifetime of many electrochemical energy storage, z. B. of lithium-ion batteries, is determined in particular by a so-called degradation of the anode. Causes of the degradation are, for example, reactions with a liquid electrolyte. This results, for example, the use of a ceramic ion conductor, z. As a ceramic lithium ion conductor, in the form of a thin ion-conducting barrier layer.
  • JP 2006-193784 A describes a device for film formation by aerosol deposition.
  • the present invention provides an improved method for producing an electrochemical energy store and an improved electrochemical energy store according to the main claims.
  • Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
  • the present invention provides a method of fabricating an electrochemical energy storage device comprising an electrode assembly and a housing, the method comprising the steps of: Introducing an aerosol onto a surface of the electrode assembly to be coated, particles of the aerosol depositing on the surface to be coated to form an ion conducting and electrically insulating separator layer; and
  • the electrochemical energy store may be a galvanic or electrochemical secondary cell, a battery cell, a battery or an accumulator.
  • the electrochemical energy store may be part of a so-called battery pack with a plurality of electrochemical energy stores or battery cells, for example for an electric vehicle or the like.
  • the housing of the electrochemical energy store may be hermetically sealed.
  • the housing of the electrochemical energy store may be configured to insulate the electrode assembly and another electrode assembly with respect to an environment of the electrochemical energy store.
  • the housing of the electrochemical energy storage device may be gas-tight and waterproof.
  • the electrode assembly may include an electrode with an electrode material and an optional current collector or electrode structure.
  • the electrode assembly may be one of two electrode assemblies of the electrochemical energy store.
  • the surface to be coated may be arranged at least on one side of the electrode assembly.
  • the surface to be coated can be arranged on a side of the electrode assembly which can be turned over to the further electrode assembly.
  • the surface to be coated may have a surface or part of a surface of an electrode material.
  • the aerosol may comprise the particles or aerosol particles and a carrier gas in which the particles are atomized.
  • the aerosol can be designed to form the ion-conducting and electrically insulating separator layer by deposition of the particles or aerosol particles.
  • the ion-conducting and electrically insulating separator layer can be designed to prevent an electrical short circuit between the electrode assembly and the further electrode assembly.
  • the separator layer may be an ion conductor layer in the form of a membrane or thin film.
  • the ion-conducting and electrically insulating separator layer can be arranged in the finished state of the electrochemical energy store between the electrode assembly and the further electrode assembly.
  • the present invention further provides an electrochemical energy store comprising: an electrode assembly having a surface on which particles of an aerosol are deposited forming an ion-conducting and electrically-insulating separator layer; another electrode assembly; and a housing in which the first electrode assembly and the second electrode assembly are receivable or received.
  • the advantageous electrochemical energy storage can be manufactured.
  • an advantageous ion-conducting and electrically insulating separator layer or protective layer of an electrochemical energy store can advantageously be formed by means of aerosol deposition.
  • An advantage of the present invention is that, according to embodiments of the present invention, a process is found which makes it possible to obtain a ceramic, e.g. B. Li-ion conductive separator layer or barrier layer of small thickness and high stability for a battery cell to form.
  • a ceramic e.g. B. Li-ion conductive separator layer or barrier layer of small thickness and high stability for a battery cell to form.
  • aerosol separation z As a ceramic powder can be applied as aerosol particles, wherein the powder compacts in the deposition.
  • this aerosol deposition is very fast, with a coating speed of z. B. up to 0.05 mm / s can be achieved.
  • the surface of the electrode assembly to be coated can For example, they are located in a low-pressure region, whereby the powder is accelerated to the object in a simple manner.
  • the method according to embodiments of the present invention is not a vacuum process and therefore inexpensive. Because the composite of electrode assembly with deposited separator layer is not necessarily a heat treatment for
  • an advantageous ceramic ion conductor material for.
  • the lithium-ion lithium-garnet can be used as the lithium-ion lithium-garnet.
  • the separator layer according to embodiments of the present invention is not susceptible to cracking and thus need not be renewed, but can maintain the protective effect.
  • an ion conductor e.g. As a lithium-ion conductor allows as an electrolyte, which at least on the anode side no liquid electrolyte needs to be used more and therefore degradation, unwanted side reactions and short circuits can be prevented.
  • fabrication of a thin, single-standing, ceramic membrane for example, less than 50 microns
  • Thickness be simplified. For example, co-sintering of the lo- NEN conductor layer omitted with other cathode-side components, so that a limitation of the material selection is eliminated or reduced. Since many of the materials used in battery technology are thermodynamically metastable, unwanted secondary phases can arise during sintering and / or the ion conductor material can react with one of the other components. According to
  • Embodiments of the present invention may use advantageous materials which avoid these disadvantages.
  • an aerosol in the step of introduction, can be applied to the surface of the electrode assembly to be coated, the particles of which comprise a ceramic material.
  • a powder of the ceramic ion conductor can be used.
  • the ceramic material may comprise a ceramic powder having, for example, 0.3 to 3 microns grain size.
  • lithium garnet is preferably used.
  • the step of transferring can be carried out so that at a
  • the layer thickness can be for example 2 to 60 micrometers.
  • Such an embodiment offers the advantage that a use of a ceramic ion conductor causes a high ionic conductivity of the separator layer.
  • an aerosol can be applied to the surface of the electrode assembly to be coated, wherein a carrier gas of the aerosol comprises an inert gas.
  • the inert carrier gas may be a noble gas,
  • Such an embodiment offers the advantage that an undesired reaction of the carrier gas or ambient air with the particles can be prevented.
  • formation of LiOH, Li 2 O or Li 2 C0 3 can be prevented.
  • a carrier gas of the aerosol comprises a mixture of ammonia and at least one other gas.
  • a carrier gas may be used in the step of loading, for example, a mixture or a mixture of nitrogen (N 2 ) and ammonia (NH 3 ).
  • the mixture may contain a maximum of 10 percent ammonia and typically 500 ppm ammonia.
  • a pressure difference between a particle container and a coating region, in which at least the surface of the electrode assembly to be coated is arranged can be provided.
  • the particles can then be introduced into a gas flow of a carrier gas driven by the pressure difference.
  • a negative pressure can be generated in the coating area, wherein the particle container has normal pressure within a tolerance range.
  • the particles can then be introduced into a gas stream which is driven by the pressure difference between the particle container or powder reservoir and the surface to be coated.
  • a step of tempering the deposited separator layer may be provided.
  • the tempering step may be carried out before the step of installation.
  • the deposited separator layer can be heated.
  • the tempering step may be an optional process step. Such an embodiment offers the advantage that stability and tightness of the separator layer can be improved by the tempering.
  • the first electrode assembly may comprise a cathode electrode having a cathode material or a cathodic structure.
  • the separa- tor Mrs be formed on the cathode material or the cathodic structure.
  • the cathode material may be, for example, a mixture of lithium-intercalating or lithium-storing material and carbon as the electrochemical energy store.
  • the cathode material may be applied to the cathodic current collector.
  • the cathodic structure may be a solid, in particular ceramic, cathodic structure.
  • the electrochemical energy store may comprise a lithium-ion cell or a lithium-sulfur cell. If the electrochemical energy store is designed as a lithium-ion cell, lithium metal oxides, such as lithium cobalt oxide, as the cathode and graphite or other lithium ion-storing compounds may be provided as an anode. When the electrochemical energy storage is formed as a lithium-sulfur cell, carbon and sulfur may be provided as the cathode and lithium as the anode. Such an embodiment offers the advantage that the separator layer can also be used in particularly advantageous embodiments of electrochemical energy storage. Thus, the advantages of a particularly powerful energy storage can be combined with the protective effect and ion conductivity of the separator.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an electrochemical energy store according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a sectional view of an electrode assembly having a separator layer according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a sectional view of an electrode assembly having a separator layer according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a flowchart of a method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrochemical energy store 100 according to an exemplary embodiment of the present invention. Shown are the electrochemical energy store 100, which has a housing 105, an electrode assembly 110 in the form of a cathode, a separator 1 15, another electrode assembly 120 in the form of an anode, a first battery terminal 130 and a second battery terminal 140.
  • the electrochemical energy store 100 according to the exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is a lithium battery.
  • the separator layer 115 is an ion-conducting and electrically insulating barrier layer.
  • the electrode assembly 1 10 with the separator layer 115 and the further electrode assembly 120 are hermetically sealed from an environment of the electrochemical energy store 100.
  • the first battery terminal 130 is electrically connected to the electrode assembly 1 10 and led out of the housing 105 of the electrochemical energy store 100.
  • the second battery terminal 140 is electrically connected to the further electrode assembly 120 and led out of the housing 105 of the electrochemical energy store 100.
  • the separator layer 15 is disposed on the electrode assembly 110. More specifically, the separator layer 115 is arranged on a side of the electrode assembly 110 facing the further electrode assembly 120. The separator layer 115 is disposed between the electrode assembly 110 and the other electrode assembly 120. In this case, according to the exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1, the separator layer 15 is formed on the electrode assembly 11 by means of aerosol deposition, although this is not explicitly recognizable in FIG. Between the electrode assembly 110 and the further electrode assembly 120, an ion current can flow through the separator layer 15 during operation of the electrochemical energy store 100. For the formation of the separator layer 115, an aerosol with particles or a powder of the ceramic ion conductor is used in the production of the electrochemical energy store 100, for example.
  • a particle size of the particles in about 0.3 to 3 microns.
  • lithium garnet is used.
  • the particles for forming the separator layer 115 are introduced into a gas flow which is driven by the pressure difference between a powder reservoir held at about normal pressure and a surface of the electrode assembly to be coated, at which a negative pressure is generated.
  • an inert gas can be used, for example, N 2 , noble gas or the like, so that no LiOH, Li 2 0 or Li 2 C0 3 forms on the surfaces of the powder.
  • a carrier gas of the aerosol an inert gas can be used, for example, N 2 , noble gas or the like, so that no LiOH, Li 2 0 or Li 2 C0 3 forms on the surfaces of the powder.
  • a carrier gas of the aerosol an inert gas can be used, for example, N 2 , noble gas or the like, so that no LiOH, Li 2 0 or Li 2 C0 3 forms on the surfaces of the powder.
  • a noble gas for example, noble gas
  • the NH 3 occupies the powder surfaces and thus prevents possible agglomeration of the particles or powder particles.
  • the particles Upon impact of the particles on the surface of the electrode assembly 110 to be coated, the particles are fractionated and consolidated so that the separator layer 115 is formed as a substantially dense layer.
  • a layer thickness of the separator 1 15 may be z. B. 2 to 60 microns.
  • a subsequent tempering or temperature treatment of the deposited separator layer 115 can optionally be carried out.
  • FIG. 2 shows a sectional view of an electrode assembly 110 with a separator layer 15 according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 110 and the separator layer 115 may be the electrode assembly or the separator layer of FIG. 1 act. Shown are the electrode assembly 110, the separator layer 115 or ion conductor layer, a current collector 211 and a cathode material 212.
  • the cathode material 212 is disposed between the current collector 211 and the separator layer 115. In this case, the cathode material 212 has a granule-like or granular structure.
  • the cathode material 212 may be a mixture of a lithium intercalating material and carbon.
  • the cathode material 212 is covered on the anode side with the separator layer 15.
  • the cathode material 212 is covered with the separator layer 115 or a layer of a ceramic ion conductor.
  • the coating may be accomplished by aerosol deposition of ceramic powder onto the cathode material 212 after the cathode material 212 has been applied to the cathodic current collector
  • the space between the particles of the cathode material 212 may be filled for operation with liquid electrolyte.
  • FIG. 3 shows a sectional view of an electrode assembly 110 with a separator layer 15 according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • the electrode assembly 110 and the separator layer 115 may be the electrode assembly or the separator layer from FIG. 1 act. Shown are the electrode assembly 1 10, the separator layer 1 15 and ion conductor layer and a cathodic structure 312nd
  • the cathodic structure 312 may include a solid, ceramic cathodic structure 312.
  • the cathodic structure 312 is lamellar, comb-shaped, or otherwise shaped as a host structure for the active material.
  • the cathodic structure 312 is a support for a cathodic active material, e.g. B. Schwefei.
  • the cathodic structure 312 is lithium-ion and electron conductive.
  • the solid cathodic structure 312 is provided on the anode side with the separator layer 15 or a layer of a ceramic ion conductor.
  • the coating may be on the cathodic structure 312.
  • the illustrated in Fig. 3 embodiment of the present invention relates in particular to a Li / S battery as an electrochemical energy storage.
  • the electrochemical energy store has an electrode assembly and a housing.
  • the method 400 includes a step of placing 410 an aerosol on a surface to be coated Electrode assembly on.
  • the step of transfer 410 is carried out so that particles of the aerosol deposit on the surface to be coated in order to form an ion-conducting and electrically insulating separator layer.
  • the method 400 includes a step of installing 420 the electrode assembly with the coated surface in a housing of the electrochemical energy store to produce the electrochemical energy store.

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Abstract

Es wird ein Verfahren (400) zum Herstellen eines elektrochemischen Energiespeichers vorgeschlagen. Dabei weist der elektrochemische Energiespeicher eine Elektrodenbaugruppe und ein Gehäuse auf. Das Verfahren (400) weist einen Schritt des Verbringens (410) eines Aerosols auf eine zu beschichtende Oberfläche der Elektrodenbaugruppe auf. Dabei scheiden sich Partikel des Aerosols an der zu beschichtenden Oberfläche ab, um eine Ionen leitende und elektrisch isolierende Separatorschicht auszubilden. Auch weist das Verfahren (400) einen Schritt des Einbauens (420) der Elektrodenbaugruppe mit der ausgebildeten Separatorschicht in das Gehäuse des elektrochemischen Energiespeichers auf, um den elektrochemischen Energiespeicher herzustellen.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrochemischer Energiespeicher und Verfahren zum Herstellen desselben Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines elektrochemischen Energiespeichers und auf einen elektrochemischen Energiespeicher.
Eine Lebensdauer vieler elektrochemischer Energiespeicher, z. B. von Lithium- Ionen-Batterien, ist insbesondere durch eine sogenannte Degradation der Anode bestimmt. Ursachen der Degradation sind beispielsweise Reaktionen mit einem flüssigen Elektrolyten. Daraus ergibt sich beispielsweise die Verwendung eines keramischen lonenleiters, z. B. eines keramischen Lithium-Ionenleiters, in Gestalt einer dünnen Ionen leitenden Sperrschicht. Die JP 2006-193784 A beschreibt eine Vorrichtung zur Filmbildung durch Aerosolabscheidung.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines elektrochemischen Energiespeichers und ein verbesserter elektrochemischer Energiespeicher gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines elektrochemischen Energiespeichers, der eine Elektrodenbaugruppe und ein Gehäuse aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Verbringen eines Aerosols auf eine zu beschichtende Oberfläche der Elektrodenbaugruppe, wobei sich Partikel des Aerosols an der zu beschichtenden Oberfläche abscheiden, um eine Ionen leitende und elektrisch isolierende Separatorschicht auszubilden; und
Einbauen der Elektrodenbaugruppe mit der ausgebildeten Separatorschicht in das Gehäuse des elektrochemischen Energiespeichers, um den elektrochemischen Energiespeicher herzustellen. Bei dem elektrochemischen Energiespeicher kann es sich um eine galvanische bzw. elektrochemische Sekundärzelle, eine Batteriezelle, eine Batterie bzw. einen Akkumulator handeln. Der elektrochemische Energiespeicher kann Teil eines sogenannten Batteriepacks mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern bzw. Batteriezellen sein, beispielsweise für ein Elektrofahrzeug oder dergleichen. Das Gehäuse des elektrochemischen Energiespeichers kann hermetisch abgedichtet sein bzw. werden. Das Gehäuse des elektrochemischen Energiespeichers kann ausgebildet sein, um die Elektrodenbaugruppe und eine weitere Elektrodenbaugruppe bezüglich einer Umgebung des elektrochemischen Energiespeichers zu isolieren. Das Gehäuse des elektrochemischen Energie- Speichers kann gasdicht und wasserdicht ausgebildet sein. Die Elektrodenbaugruppe kann eine Elektrode mit einem Elektrodenmaterial und einem optionalen Stromsammler oder eine Elektrodenstruktur aufweisen. Bei der Elektrodenbaugruppe kann es sich um eine von zwei Elektrodenbaugruppen des elektrochemischen Energiespeichers handeln. Die zu beschichtende Oberfläche kann zumin- dest an einer Seite der Elektrodenbaugruppe angeordnet sein. Insbesondere kann die zu beschichtende Oberfläche an einer der weiteren Elektrodenbaugruppe zuwendbaren Seite der Elektrodenbaugruppe angeordnet sein. Dabei kann die zu beschichtende Oberfläche eine Oberfläche bzw. einen Teil einer Oberfläche eines Elektrodenmaterials aufweisen. Das Aerosol kann die Partikel bzw. Ae- rosolpartikel und ein Trägergas aufweisen, in dem die Partikel zerstäubt sind.
Das Aerosol kann ausgebildet sein, um durch Abscheidung der Partikel bzw. Aerosolpartikel die Ionen leitende und elektrisch isolierende Separatorschicht auszubilden. Die Ionen leitende und elektrisch isolierende Separatorschicht kann ausgebildet sein, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Elektroden- baugruppe und der weiteren Elektrodenbaugruppe zu verhindern. Bei der Separatorschicht kann es sich um eine lonenleiterschicht in Gestalt einer Membran oder Dünnschicht handeln. Die Ionen leitende und elektrisch isolierende Separatorschicht kann im fertiggestellten Zustand des elektrochemischen Energiespeichers zwischen der Elektrodenbaugruppe und der weiteren Elektrodenbaugruppe angeordnet sein.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner einen elektrochemischen Energiespeicher mit folgenden Merkmalen: einer Elektrodenbaugruppe mit einer Oberfläche, an der Partikel eines Aerosols abgeschieden sind, die eine Ionen leitende und elektrisch isolierende Separatorschicht ausbilden; weiteren Elektrodenbaugruppe; und einem Gehäuse, in dem die erste Elektrodenbaugruppe und die zweite Elektrodenbaugruppe aufnehmbar oder aufgenommen sind.
Durch Ausführung des Verfahrens zum Herstellen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der vorteilhafte elektrochemische Energiespeicher hergestellt werden.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann mittels Aerosolab- scheidung eine vorteilhafte Ionen leitende und elektrisch isolierende Separatorschicht bzw. Schutzschicht eines elektrochemischen Energiespeichers auf vorteilhafte Weise gebildet werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Prozess gefunden ist, der es ermöglicht, eine keramische, z. B. Li-Ionen leitende Separatorschicht bzw. Sperrschicht gerin- ger Dicke und hoher Stabilität für eine Batteriezelle zu bilden. Dabei kann insbesondere durch Aerosolabscheidung z. B. ein keramisches Pulver als Aerosolpartikel aufgetragen werden, wobei sich das Pulver bei der Abscheidung verdichtet. Insbesondere verglichen mit anderen kalten Dünnschichtverfahren, wie z. B. Sputtern, ist diese Aerosolabscheidung sehr schnell, wobei eine Beschichtungs- geschwindigkeit von z. B. bis zu 0,05 mm/s erreichbar ist. Das zu beschichtende
Objekt, hierbei die zu beschichtende Oberfläche der Elektrodenbaugruppe, kann sich beispielsweise in einem Niederdruckbereich befinden, wodurch das Pulver auf einfache Weise zum Objekt hin beschleunigt wird. Das Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist kein Vakuumverfahren und daher kostengünstig. Dadurch, dass der Verbund aus Elektrodenbaugruppe mit abgeschiedener Separatorschicht nicht zwingend einer Wärmebehandlung zum
Sintern unterzogen zu werden braucht, bleiben Materialien im Verbund in ihrer Zusammensetzung und Phase vorteilhafterweise erhalten. Insbesondere kann als Pulver bzw. Aerosolpartikel ein vorteilhaftes keramisches lonenleitermaterial, z. B. der Lithium-Ionenleite Lithium-Granat, verwendet werden.
Die Lebensdauer vieler bekannter elektrochemischer Energiespeicher, z. B. Li- lonen-Batterien, ist im Wesentlichen durch die Degradation der Anode bestimmt. Ursache sind Reaktionen mit dem flüssigen Elektrolyten. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann diese Degradation mittels der Separa- torschicht verhindert werden. Somit kann auch eine Anode aus reinem Lithium-
Metall verwendet werden, was wegen der hohen Zellspannung vorteilhaft ist. Auch kann vorteilhafterweise auf Zusätze in dem elektrochemischen Energiespeicher verzichtet werden, die eine Bildung einer Schutzschicht auf der Anode bewirken. Die Separatorschicht gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Er- findung ist unanfällig für eine Rissbildung und muss somit nicht erneuert werden, sondern kann die Schutzwirkung beibehalten. Bei Lithium-Schwefel-Batterien beispielsweise kann somit verhindert werden, dass im Elektrolyten lösliche Poly- sulfide an der Anode zu kürzerkettigen Polysulfiden reduziert werden, um dann wieder zur Kathode zu wandern oder unmittelbar zu Li2S reagieren und sich an der Anode irreversibel ablagern. Daher kann auch hier ein elektrochemischer
Kurzschluss aufgrund eines sogenannten "Shuttle-Mechanismus" vermieden werden.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird somit die Verwen- dung eines lonenleiters, z. B. eines Lithium-lonenleiters als Elektrolyt ermöglicht, wodurch zumindest anodenseitig kein flüssiger Elektrolyt mehr verwendet zu werden braucht und daher Degradation, unerwünschte Nebenreaktionen und Kurzschlüsse verhindert werden können. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Herstellung bzw. Verarbeitung einer dünnen, alleinste- henden, keramischen Membran, mit beispielsweise weniger als 50 Mikrometern
Dicke, vereinfacht werden. Es kann beispielsweise auch ein Co-Sintern der lo- nenleiterschicht mit anderen kathodenseitigen Komponenten entfallen, sodass eine Einschränkung der Materialauswahl beseitigt oder verringert ist. Da viele der in der Batterietechnik verwendeten Materialien thermodynamisch nur metastabil sind, können beim Sintern unerwünschte Nebenphasen entstehen und/oder kann das lonenleitermaterial mit einer der anderen Komponenten reagieren. Gemäß
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können vorteilhafte Materialien verwendet werde, welche diese Nachteile vermeiden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann im Schritt des Verbringens ein Aerosol auf die zu beschichtende Oberfläche der Elektrodenbaugruppe verbracht werden, dessen Partikel ein keramisches Material aufweisen. Insbesondere kann ein Pulver des keramischen lonenleiters verwendet werden. Das keramische Material kann ein keramisches Pulver mit beispielsweise 0,3 bis 3 Mikrometern Korngröße aufweisen. Bevorzugt wird beispielsweise Lithium-Granat ver- wendet. Der Schritt des Verbringens kann so ausgeführt werden, dass bei einem
Auftreffen der Partikel bzw. Pulverteilchen auf die zu beschichtende Oberfläche eine Fraktionierung und Konsolidierung stattfindet, wobei eine im Wesentlichen dichte Schicht entsteht. Die Schichtdicke kann beispielsweise 2 bis 60 Mikrometer betragen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Verwen- dung eines keramischen lonenleiters eine hohe lonenleitfähigkeit der Separatorschicht bewirkt.
Ferner kann im Schritt des Verbringens ein Aerosol auf die zu beschichtende Oberfläche der Elektrodenbaugruppe verbracht werden, wobei ein Trägergas des Aerosols ein inertes Gas aufweist. Dabei kann das inerte Trägergas ein Edelgas,
Stickstoff oder dergleichen aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine unerwünschte Reaktion des Trägergases oder von Umgebungsluft mit den Partikeln verhindert werden kann. So kann beispielsweise bei der Bildung eines Lithium-Ionenleiters durch Aerosolabscheidung an den Ober- flächen der Partikel bzw. des Pulvers des Aerosols eine Bildung von LiOH, Li20 oder Li2C03 verhindert werden.
Auch kann im Schritt des Verbringens ein Aerosol auf die zu beschichtende Oberfläche der Elektrodenbaugruppe verbracht werden, wobei ein Trägergas des Aerosols ein Gemisch aus Ammoniak und zumindest einem weiteren Gas aufweist. Somit kann im Schritt des Verbringens ein Trägergas verwendet werden, das beispielsweise eine Mischung bzw. ein Gemisch aus Stickstoff (N2) und Ammoniak (NH3) aufweist. Insbesondere kann das Gemisch maximal 10 Prozent Ammoniak und typisch 500 ppm Ammoniak enthalten. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass hierbei das Ammoniak die Partikeloberflächen be- legt und so eine mögliche Agglomeration der Partikel bzw. Pulverteilchen des Aerosols vorteilhaft verhindert.
Dabei kann im Schritt des Verbringens eine Druckdifferenz zwischen einem Partikelbehälter und einem Beschichtungsbereich, in dem zumindest die zu be- schichtende Oberfläche der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist, bereitgestellt werden. Auch können im Schritt des Verbringens dann die Partikel in einen durch die Druckdifferenz getriebenen Gasstrom eines Trägergases eingebracht werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Aerosolabschei- dung zur Bildung der Separatorschicht mittels der Druckdifferenz auf einfache, zielgerichtete, zuverlässige und effiziente Weise durchgeführt werden kann.
Insbesondere kann in dem Beschichtungsbereich ein Unterdruck erzeugt werden, wobei der Partikelbehälter innerhalb eines Toleranzbereichs Normaldruck aufweist. Somit können im Schritt des Verbringens dann die Partikel in einen Gasstrom eingebracht werden, der durch die Druckdifferenz zwischen Partikelbehälter bzw. Pulvervorratsbehälter und zu beschichtender Oberfläche getrieben wird. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Aerosolabschei- dung zur Bildung der Separatorschicht mittels Unterdruckerzeugung auf besonders einfache Weise durchgeführt werden kann.
Zudem kann ein Schritt des Temperierens der abgeschiedenen Separatorschicht vorgesehen sein. Dabei kann der Schritt des Temperierens vor dem Schritt des Einbauens ausgeführt werden. Im Schritt des Temperierens kann die abgeschiedene Separatorschicht erwärmt werden. Der Schritt des Temperierens kann ein optionaler Verfahrensschritt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Stabilität und Dichtigkeit der Separatorschicht durch das Temperieren verbessert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform des elektrochemischen Energiespeichers kann die erste Elektrodenbaugruppe eine Kathodenelektrode aufweisen, die ein Kathodenmaterial oder eine kathodische Struktur aufweist. Dabei kann die Separa- torschicht an dem Kathodenmaterial oder der kathodischen Struktur ausgebildet sein. Bei dem Kathodenmaterial kann es sich im Falle einer Lithium-Ionen-Zelle als elektrochemischem Energiespeicher beispielsweise um eine Mischung aus Lithium interkalierendem bzw. Lithium einlagerndem Material und Kohlenstoff handeln. Das Kathodenmaterial kann auf den kathodischen Stromsammler aufgebracht sein bzw. worden sein. Bei der kathodischen Struktur kann es sich insbesondere im Falle einer Lithium-Schwefel-Batterie um eine feste, insbesondere keramische, kathodische Struktur handeln. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Separatorschicht zuverlässig hinsichtlich einer Vielfalt von Elektrodenmaterialien aufbringbar bzw. einsetzbar ist. Somit steigt eine Zahl möglicher Einsatzgebiete bzw. Anwendungsbeispiele hinsichtlich unterschiedlicher elektrochemischer Energiespeicher.
Insbesondere kann der elektrochemische Energiespeicher eine Lithium-Ionen- Zelle oder eine Lithium-Schwefel-Zelle aufweisen. Wenn der elektrochemische Energiespeicher als eine Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet ist, können Lithiummetalloxide, wie Lithiumcobaltoxid, als Kathode und Graphit oder andere Lithiumionen einlagernde Verbindungen als Anode vorgesehen sein. Wenn der elektrochemische Energiespeicher als eine Lithium-Schwefel-Zelle ausgebildet ist, können Kohlenstoff und Schwefel als Kathode und Lithium als Anode vorgesehen sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Separatorschicht auch bei besonders vorteilhaften Ausgestaltungen elektrochemischer Energiespeicher angewandt werden kann. Somit können die Vorteile eines besonders leistungsstarken Energiespeichers mit der Schutzwirkung und lonenleitfähigkeit der Separatorschicht kombiniert werden.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer Elektrodenbaugruppe mit einer Separatorschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Elektrodenbaugruppe mit einer Separatorschicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrochemischen Energiespeichers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind der elektrochemische Energiespeicher 100, der ein Gehäuse 105, eine Elektrodenbaugruppe 110 in Gestalt einer Kathode, eine Separatorschicht 1 15, eine weitere Elektrodenbaugruppe 120 in Gestalt einer Anode, einen ersten Batterieanschluss 130 und einen zweiten Batterieanschluss 140 aufweist. Die dem elektrochemischen Energiespeicher 100 handelt es sich gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung um eine Lithium-
Ionen-Zelle. Bei der Separatorschicht 115 handelt es sich um eine Ionen leitende und elektrisch isolierende Sperrschicht.
In dem Gehäuse 105 des elektrochemischen Energiespeichers 100 sind die Elektrodenbaugruppe 1 10 mit der Separatorschicht 115 und die weitere Elektrodenbaugruppe 120 von einer Umgebung des elektrochemischen Energiespeichers 100 hermetisch abgedichtet angeordnet. Der erste Batterieanschluss 130 ist mit der Elektrodenbaugruppe 1 10 elektrisch verbunden und aus dem Gehäuse 105 des elektrochemischen Energiespeichers 100 herausgeführt. Der zweite Bat- terieanschluss 140 ist mit der weiteren Elektrodenbaugruppe 120 elektrisch verbunden und aus dem Gehäuse 105 des elektrochemischen Energiespeichers 100 herausgeführt.
Die Separatorschicht 1 15 ist an der Elektrodenbaugruppe 110 angeordnet. Ge- nauer gesagt ist die Separatorschicht 115 ist an einer der weiteren Elektrodenbaugruppe 120 zugewandten Seite der Elektrodenbaugruppe 110 angeordnet. Die Separatorschicht 115 ist zwischen der Elektrodenbaugruppe 110 und der weiteren Elektrodenbaugruppe 120 angeordnet. Dabei ist gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Separatorschicht 1 15 an der Elektrodenbaugruppe 1 10 mittels Aerosolabscheidung gebil- det, auch wenn dies in Fig. 1 nicht explizit erkennbar ist. Zwischen der Elektrodenbaugruppe 1 10 und der weiteren Elektrodenbaugruppe 120 kann bei Betrieb des elektrochemischen Energiespeichers 100 ein lonenstrom durch die Separatorschicht 1 15 fließen. Zur Bildung der Separatorschicht 115 wird bei der Herstellung des elektrochemischen Energiespeichers 100 beispielsweise ein Aerosol mit Partikeln bzw. einem Pulver des keramischen lonenleiters verwendet. Dabei kann eine Korngröße der Partikel in etwa 0,3 bis 3 Mikrometer betragen. Bevorzugt wird Lithium-Granat verwendet. Die Partikel zur Bildung der Separatorschicht 115 werden in einen Gasstrom eingebracht, der durch die Druckdifferenz zwischen einem Pulvervorratsbehälter, der etwa bei Normaldruckgehalten wird, und einer zu beschichtenden Oberfläche der Elektrodenbaugruppe getrieben wird, an der ein Unterdruck erzeugt wird. Als Trägergas des Aerosols kann ein inertes Gas verwendet werden, beispielsweise N2, Edelgas oder dergleichen, damit sich an den Oberflächen des Pulvers kein LiOH, Li20 oder Li2C03 bildet. Alternativ kann insbesondere ein
Gemisch aus N2 und NH3 mit maximal 10% NH3, typisch 500 ppm NH3, als Trägergas verwendet werden. Hierbei belegt das NH3 die Pulveroberflächen und verhindert so eine mögliche Agglomeration der Partikel bzw. Pulverteilchen. Bei Auftreffen der Partikel auf die zu beschichtende Oberfläche der Elektrodenbau- gruppe 110 erfolgt eine Fraktionierung und Konsolidierung der Partikel, sodass die Separatorschicht 115 als eine im Wesentlichen dichte Schicht entsteht. Eine Schichtdicke der Separatorschicht 1 15 kann dabei z. B. 2 bis 60 Mikrometer betragen. Eine nachfolgende Temperierung bzw. Temperaturbehandlung der abgeschiedenen Separatorschicht 115 kann optional durchgeführt werden.
Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Elektrodenbaugruppe 110 mit einer Separatorschicht 1 15 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Elektrodenbaugruppe 110 und der Separatorschicht 115 kann es sich um die Elektrodenbaugruppe bzw. die Separatorschicht aus Fig . 1 handeln. Gezeigt sind die Elektrodenbaugruppe 1 10, die Separatorschicht 115 bzw. lonen- leiterschicht, ein Stromsammler 211 und ein Kathodenmaterial 212. Das Kathodenmaterial 212 ist zwischen dem Stromsammler 211 und der Separatorschicht 115 angeordnet. Dabei weist das Kathodenmaterial 212 eine granulatähnliche bzw. körnige Struktur auf. Bei dem Kathodenmaterial 212 kann es sich um eine Mischung eines Lithium interkalierenden Materials und Kohlenstoff handeln. Das Kathodenmaterial 212 ist anodenseitig mit der Separatorschicht 1 15 überdeckt. Das Kathodenmaterial 212 ist mit der Separatorschicht 115 bzw. einer Schicht eines keramischen lonenleiters überdeckt. Die Beschichtung kann mittels Aerosolabscheidung von keramischem Pulver auf das Kathodenmaterial 212 er- folgen, nachdem das Kathodenmaterial 212 auf den kathodischen Stromsammler
211 aufgebracht wurde. Der Raum zwischen den Teilchen des Kathodenmaterials 212 kann für den Betrieb mit flüssigem Elektrolyt befüllt sein bzw. werden.
Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer Elektrodenbaugruppe 110 mit einer Se- paratorschicht 1 15 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Bei der Elektrodenbaugruppe 1 10 und der Separatorschicht 115 kann es sich um die Elektrodenbaugruppe bzw. die Separatorschicht aus Fig . 1 handeln. Gezeigt sind die Elektrodenbaugruppe 1 10, die Separatorschicht 1 15 bzw. lonenleiterschicht und eine kathodische Struktur 312.
Die kathodische Struktur 312 kann eine feste, keramische kathodische Struktur 312 aufweisen. Die kathodische Struktur 312 ist lamellenförmig, kammförmig oder auf andere Weise als Wirtsstruktur für das Aktivmaterial ausgeformt. Die kathodische Struktur 312 ist Träger für ein kathodisches Aktivmaterial, z. B. Schwe- fei. Die kathodische Struktur 312 ist Lithium-Ionen und Elektronen leitend ausgebildet. Die feste kathodische Struktur 312 ist anodenseitig mit der Separatorschicht 1 15 bzw. einer Schicht eines keramischen lonenleiters versehen. Die Beschichtung kann auf die kathodische Struktur 312 erfolgen. Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Li/S-Batterie als elektrochemischen Energiespeicher.
Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Herstellen eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei weist der elektrochemische Energiespeicher eine Elekt- rodenbaugruppe und ein Gehäuse auf. Das Verfahren 400 weist einen Schritt des Verbringens 410 eines Aerosols auf eine zu beschichtende Oberfläche der Elektrodenbaugruppe auf. Dabei wird der Schritt des Verbringens 410 so ausgeführt, dass sich Partikel des Aerosols an der zu beschichtenden Oberfläche abscheiden, um eine Ionen leitende und elektrisch isolierende Separatorschicht auszubilden. Auch weist das Verfahren 400 einen Schritt des Einbauens 420 der Elektrodenbaugruppe mit der beschichteten Oberfläche in ein Gehäuse des elektrochemischen Energiespeichers auf, um den elektrochemischen Energiespeicher herzustellen. Mittels des Verfahrens 400 kann der elektrochemische Energiespeicher aus Fig. 1 bzw. die Separatorschicht an der Elektrodenbaugruppe aus Fig. 2 bzw. Fig. 3 vorteilhaft hergestellt werden.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.

Claims

Verfahren (400) zum Herstellen eines elektrochemischen Energiespeichers (100), der eine Elektrodenbaugruppe (1 10) und ein Gehäuse (105) aufweist, wobei das Verfahren (400) folgende Schritte aufweist:
Verbringen (410) eines Aerosols auf eine zu beschichtende Oberfläche der Elektrodenbaugruppe (110), wobei sich Partikel des Aerosols an der zu beschichtenden Oberfläche abscheiden, um eine Ionen leitende und elektrisch isolierende Separatorschicht (115) auszubilden; und
Einbauen (420) der Elektrodenbaugruppe (110) mit der ausgebildeten Separatorschicht (115) in das Gehäuse (105) des elektrochemischen Energiespeichers (100), um den elektrochemischen Energiespeicher (100) herzustellen.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Verbringens (410) ein Aerosol auf die zu beschichtende Oberfläche der Elektrodenbaugruppe (1 10) verbracht wird, dessen Partikel ein keramisches Material aufweisen.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Verbringens (410) ein Aerosol auf die zu beschichtende Oberfläche der Elektrodenbaugruppe (1 10) verbracht wird, wobei ein Trägergas des Aerosols ein inertes Gas aufweist.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Verbringens (410) ein Aerosol auf die zu beschichtende Oberfläche der Elektrodenbaugruppe (1 10) verbracht wird, wobei ein Trägergas des Aerosols ein Gemisch aus Ammoniak und zumindest einem weiteren Gas aufweist.
5. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Verbringens (410) eine Druckdifferenz zwischen einem Partikelbehälter und einem Beschichtungsbereich, in dem zumindest die zu beschichtende Oberfläche der Elektrodenbaugruppe (1 10) angeordnet ist, bereitgestellt wird.
6. Verfahren (400) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Beschichtungsbereich ein Unterdruck erzeugt wird, wobei der Partikelbehälter innerhalb eines Toleranzbereichs Normaldruck aufweist.
7. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt des Temperierens der abgeschiedenen Separatorschicht (115), wobei der Schritt des Temperierens vor dem Schritt des Einbauens (420) ausgeführt wird.
8. Elektrochemischer Energiespeicher (100) mit folgenden Merkmalen: einer Elektrodenbaugruppe (1 10) mit einer Oberfläche, an der Partikel eines Aerosols abgeschieden sind, die eine Ionen leitende und elektrisch isolierende Separatorschicht (115) ausbilden; einer weiteren Elektrodenbaugruppe (120); und einem Gehäuse (105), in dem die erste Elektrodenbaugruppe (1 10) und die zweite Elektrodenbaugruppe (120) aufnehmbar oder aufgenommen sind.
9. Elektrochemischer Energiespeicher (100) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenbaugruppe (1 10) eine Kathodenelektrode aufweist, die ein Kathodenmaterial (212) oder eine kathodische Struktur (312) aufweist, wobei die Separatorschicht (115) an dem Kathodenmaterial (212) oder der kathodischen Struktur (312) ausgebildet ist.
Elektrochemischer Energiespeicher (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Energiespeicher (100) eine Lithium-Ionen-Zelle oder eine Lithium-Schwefel-Zelle aufweist.
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