Titel

Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Batterie und Elektrode für eine

Batterie

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Batterie und eine Elektrode für eine Batterie.

Stand der Technik

Die US 2015/0 303 481 Al beschreibt eine Energiespeichervorrichtung, z.B. eine Lithium- Ionen- Batterie. Die Elektrode der Lithium- Ionen- Batterie wird hergestellt durch Mischen eines Bindemittels mit Aktivmaterial und, gegebenenfalls, mit einem leitenden Kohlenstoffpulver. Anschließend wird die Mischung mittels lösmittelfreiem Vermahlen verarbeitet. Die sich ergebende Mischung wird warm in einem Walzwerk zu einem Film verpresst (kalandriert) oder auf eine

Trägerfolie wenigstens temporär laminiert, um einen Film zu erhalten, der später kalandriert, laminiert oder auf den Metallkollektor geklebt wird, um die Elektroden zu erhalten. Üblicherweise wird eine Adhäsionsschicht auf den Metallkollektor vor der Mischung bzw. eigentlichen Elektrode auf den Metallkollektor aufgebracht, um die Herstellung zu erlauben. Die Dicke der Adhäsionsschicht beträgt üblicherweise einige Mikrometer, wodurch die Energiedichte reduziert wird.

Da in der Herstellung kein Lösemittel verwendet wird und somit kein

Verdampfungsprozess stattfindet, um das Lösemittel aus der Elektrode zu entfernen, gibt es keine oder nur wenige offene Poren. Offene Poren sind jedoch einerseits notwendig, um in diese später Elektrolyt zu füllen, das die

Beweglichkeit der Lithium-Ionen in den so gebildeten ionenleitfähigen Pfaden des Elektrolyten sicherstellt. Wenn es nicht genügend offene Poren gibt und nicht alle

KU:KR:KR bzw. viele Teilchen der Elektrode bzw. nicht das gesamte bzw. nicht im

Wesentlichen das gesamte Aktivmaterial der Elektrode Zugang zu dem Elektrolyt haben, wird die Leistungsfähigkeit reduziert, da Lithiumionen nicht

wegtransportiert bzw. geleitet werden können. Wenn die Oberfläche jeden Teilchens bzw. der Aktivmaterialteilchen, die in Kontakt mit dem Elektrolyt sind, sich verringert, erhöht sich der Widerstand der Zelle und folglich reduziert sich üblicherweise die Leistung der Elektrode.

Andrerseits sorgen offene Poren für eine gute Verbindung mit einer Haftschicht auf der metallischen Ableiterfolie. Diese Haftschichten sind in der Regel kohlenstoffhaltig zur Erzielung eines geringen Übergangswiderstandes und in der Regel mit einem Polymer als Binder versehen. Wird die Elektrode gemäß der US 2015/0 303 481 Al hergestellt, befindet sich insbesondere beim warmen

Verpressen eine nicht unerhebliche Menge an PTFE (Polytetrafluorethylen) an der Oberfläche der Elektrode, so dass eine haftfähige und elektrisch leitfähige Verbindung nur hergestellt werden kann, wenn die Haftschicht beim Laminieren plastisch in die Poren gedrückt werden kann. Liegen an der Oberfläche jedoch gemäß der US 2015/0 303 481 Al hersteilbedingt nur wenige offene Poren vor, muss die Haftschicht zum Ausgleich besonders dick, d.h. im Bereich von ca. 5 pm bis ca. 20 pm, typischerweise im Bereich dicker als 10 pm ausgeführt werden, was zu einer schlechten volumetrischen Energiedichte führt.

Zudem entstehen beim mechanischen- oder LASER-Schneiden oder Stanzen der Elektrode Fremdpartikel und/oder Schmutzpartikel, die üblicherweise durch Bürsten und/oder Ansaugen von der Elektrode entfernt werden, wodurch jedoch die Oberfläche bzw. die Oberflächen der Elektroden beschädigt werden können.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, eine Elektrode für eine Batterie technisch einfach und schnell herzustellen bzw. eine Elektrode für eine Batterie bereitzustellen, wobei mit der Elektrode eine Batterie mit einer hohen Energiedichte hergestellt werden kann. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Batterie, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Batterie, vorgeschlagen, wobei ein Porenbilder zum Bilden von Poren in der Elektrode aus der Elektrode mittels eines Lösemittels entfernt wird und Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel von einer Oberfläche der Elektrode entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig der Porenbilder aus der Elektrode und Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel von der Elektrode mittels des

Lösemittels entfernt werden.

Ein Vorteil hiervon ist, dass typischerweise die Elektrode gleichzeitig von

Schmutzpartikeln und/oder Fremdpartikeln, die beispielsweise vom Schneiden bzw. Stanzen der Elektrode entstanden sind, gereinigt wird und der Porenbilder aus der Elektrode zum Erzeugen von Poren in der Elektrode entfernt wird. In die Poren kann im Allgemeinen ein Elektrolyt eingeführt werden. Durch die Poren kann üblicher Weise ein Elektrolyt der Batterie zu den Teilchen der Elektrode bzw. dem Aktivmaterial der Elektrode gelangen und Lithium-Ionen transportieren.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Elektrode für eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Batterie, vorgeschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode gemäß des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde.

Vorteilhaft hieran ist, dass typischerweise die Elektrode technisch einfach und schnell hergestellt werden kann, da gleichzeitig Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel, die beispielsweise beim Schneiden bzw. Stanzen der Elektrode entstanden sind, und der Porenbilder aus der Elektrode entfernt werden zum Erzeugen von Poren in der Elektrode. In die Poren kann im Allgemeinen ein Elektrolyt eingeführt werden. Durch die Poren kann üblicher Weise ein Elektrolyt der Batterie zu den Teilchen der Elektrode bzw. dem Aktivmaterial der Elektrode gelangen und Lithium-Ionen transportieren.

Besonders vorteilhaft an dem Verfahren bzw. an der Elektrode für eine Batterie ist, dass der Porenbildner die Oberfläche der Elektrode porös gestaltet. Daher kann eine gute Verzahnung zu einem Haftvermittler (der zwischen der Elektrode und einer metallischer Ableiterfolie angeordnet wird) erfolgen und die Schicht des Haftvermittlers bzw. der Adhäsionsschicht hierdurch besonders dünn ausgeführt werden oder der Haftvermittler bzw. die Adhäsionsschicht kann sogar ganz bzw. vollständig weggelassen werden. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei geringen Gehalten an PTFE (Polytetrafluorethylen) im Bereich von ca. 0,2 Gewichtsprozent bis ca. 2 Gewichtsprozent des Aktivmaterials der Elektrode eine Haftvermittlerschicht bzw. Adhäsionsschicht bzw. Haftschicht mit einer Dicke im Bereich von ca. 1 pm bis ca. 3 pm ausreichend ist.

„Gleichzeitig“ bzw.„Gleichzeitiges“ kann insbesondere bedeuteten, dass die beiden Vorgänge des Entfernens des Porenbilders aus der Elektrode und der Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel von der Oberfläche der Elektrode in einem einzigen Schritt stattfinden. D.h. dass die beiden Vorgänge sich zumindest teilweise zeitlich überschneiden. Vorzugsweise beginnen die beiden Vorgänge zu dem gleichen Zeitpunkt. Möglich ist natürlich, dass einer der beiden Vorgänge früher als der andere Vorgang abgeschlossen bzw. beendet ist. Auch denkbar ist, dass die Vorgänge gleich lange durchgeführt werden, d.h. dass das

Lösemittel gleich lange den Porenbilder aus der Elektrode entfernt wie das Lösemittel die Oberfläche von Schmutzpartikeln und/oder Fremdpartikeln reinigt, wobei natürlich kein Porenbilder mehr aus der Elektrode entfernt werden kann, wenn jeglicher Porenbilder in der Elektrode (der von außerhalb der Elektrode zugänglich ist) bereits entfernt wurde, und natürlich keine Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel von der Elektrode mehr entfernt werden können, wenn sich keine Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel mehr auf der Elektrode befinden.

Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.

Gemäß einer Ausführungsform wird der Schritt des gleichzeitigen Entfernens des Porenbilders und der Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel nach dem

Befestigen der Elektrode auf einem Stromsammler durchgeführt. Hierdurch wird üblicherweise beim Verbinden mit einem Metallkollektor bzw. einem

Stromsammler keine Adhäsionsschicht benötigt. Dies erhöht typischerweise die Energiedichte.

Da sich beim heiß Kalandrieren PTFE (Polytetrafluorethylen) in der Regel zur Oberfläche hin abscheidet, was aus der Herstellung von Graphit-PTFE- Elektroden aus der Brennstoffzelle bekannt ist, wo sich der Übergangswiderstand durch die sukzessive Ansammlung von PTFE immer weiter erhöht, kann eine nach Herstellung des Elektrodenfilms durchgeführte zusätzliche Porenherstellung mit Abreinigung bzw. Entfernung loser Partikel insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn ein weiterer Binder wie PVDF (Polyvinylidenfluorid) oder PEO

(Polyethylenglycol) in der PTFE-haltigen Elektrode verwendet wird, da durch das Öffnen der Oberfläche bzw. Poren nach dem Kalandrieren auch wieder der zweite Binder an der Oberfläche verfügbar ist und beim Laminieren zum

Verkleben über thermische Effekte oder Lösemittel genutzt werden kann. Der Stromsammler benötigt für diese Ausführung trotz der Verwendung von PTFE als Binder keine zusätzliche Haftschicht bzw. Adhäsionsschicht.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner folgende Schritte, die vor dem Entfernen des Porenbilders und der Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel ausgeführt werden: Mischen eines Bindemittels, eines

Porenbilders und eines Aktivmaterials miteinander zum Erzeugen einer

Mischung; Aufbringen der Mischung auf einem Stromsammler zum Erzeugen der Elektrode. Ein Vorteil hiervon ist in der Regel, dass die Elektrode technisch einfach und schnell hergestellt werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform wird bei dem Mischen des Bindemittels, des Porenbilders und des Aktivmaterials zusätzlich leitendes Kohlenstoffpulver eingemischt. Hierdurch wird im Allgemeinen die Leitfähigkeit der Elektrode verbessert.

Gemäß einer Ausführungsform wird zwischen der Elektrode und dem

Stromsammler eine Adhäsionsschicht aufgebracht. Ein Vorteil hiervon ist typischerweise, dass, auch wenn der Porenbilder nur einen geringen

Volumenanteil der Elektrode ausmacht, die Elektrode technisch einfach und sicher mit dem Stromsammler verbunden werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Elektrode zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in das Lösemittel eingetaucht. Hierdurch kann das Verfahren in der Regel technisch einfach und besonders schnell durchgeführt werden.

Gemäß einer Ausführungsform werden nach dem Schritt des Entfernens des Porenbilders und der Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel folgende Schritte ausgeführt: Herausfiltern von Schmutzpartikeln und/oder Fremdpartikeln aus dem Lösemittel; und Destillieren des von Schmutzpartikeln und/oder Fremdpartikeln gefilterten Lösemittels zum Entfernen des Porenbilders aus dem Lösemittel. Ein Vorteil hiervon ist, dass in der Regel das Lösemittel und/oder der Porenbilder wiederverwendet werden kann. Dies spart typischerweise Kosten.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Porenbilder Polyvinylpyrrolidon (PVP), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyren (PS) und/oder Dibutylphthalat (DBP). Hierdurch kann im Allgemeinen das Verfahren besonders effektiv und kostengünstig durchgeführt werden.

Gemäß einer Ausführungsform liegt das Volumenverhältnis des Porenbilders zu den übrigen Bestandteilen der Elektrode im Bereich von ca. 1% bis ca. 50%, insbesondere im Bereich zwischen ca. 15% und ca. 40%. Ein Vorteil hiervon ist typischerweise, dass eine Elektrode mit einem besonders geringen Widerstand hergestellt werden kann.

Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen einer Elektrode für eine Batterie beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.

Fig. 1 zeigt einen Ablauf bei einer Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Figur ist lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche

Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende

Merkmale.

Ausführungsformen der Erfindung Fig. 1 zeigt einen Ablauf bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zunächst findet die Zugabe eines Aktivmaterials 10, die Zugabe eines

Bindemittels 15 und die Zugabe eines Porenbilders 20 statt. Die Materialien können beispielsweise Pulverform haben. Diese drei Materialien bzw. die drei Pulver werden als nächstes miteinander gemischt bzw. vermischt 25. Leitendes Kohlenstoffpulver kann optional zugemischt werden. Die Mischung wird insbesondere homogen gemischt.

Nun findet ein Kalandrieren oder eine Lamination der Mischung zum Erzeugen eines sich selbsttragenden Films 27 statt. Nachfolgend wird ein Kalandrieren oder eine Lamination oder ein Kleben des Films auf den Metallkollektor bzw. den Stromsammler 30 durchgeführt. Möglich ist, dass eine (dünne) Adhäsionsschicht zwischen dem Film und dem Metallkollektor bzw. dem Stromsammler angeordnet wird. Eine Adhäsionsschicht ist jedoch nicht (zwingend) notwendig. Anschließend findet ein Schneiden/Stanzen der Elektrode 35 statt, bei der Elektroden der gewünschten Größe erzeugt werden.

Nun wird der Schritt des Entfernens des Porenbilders und Entfernen der

Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel 40 durchgeführt. Der Porenbilder und die Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel werden zugleich bzw. gleichzeitig entfernt.

Anschließend findet im Schritt„Zellzusammenbau“ 45 der Zusammenbau der Zelle statt, wobei die Elektrode der Pluspol oder der Minuspol der Zelle ist.

Schließlich wird ein Elektrolyt hinzugegeben (Schritt:„Zugabe eines Elektrolyts“ 45). Weitere Schritte zum Vollenden bzw. dem vollständigen Herstellen der Batterie umfassen die üblichen Schritte.

In dem gleichen Schritt, in dem der Porenbilder (zumindest größtenteils) aus der Elektrode entfernt wird, wird die Oberfläche der Elektrode von Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikeln gereinigt. Die Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel können beispielsweise beim (Zu-)Schneiden der Elektrode und/oder beim

Stanzen der Elektrode 35 entstanden sein bzw. entstehen. Die Oberfläche wird hierbei üblicherweise nicht mechanisch gereinigt. Auch ein Absaugen der Oberfläche findet üblicherweise nicht statt. Dasselbe Lösemitel, das zum Entfernen des Porenbilders aus der Elektrode verwendet wird, wird zum Reinigen der Oberfläche der Elektrode von

Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikeln verwendet.

Hierzu kann die Elektrode beispielsweise in das Lösemitel eingetaucht werden. Während des Eintauchens wird durch das Lösemitel der Porenbilder aus der Elektrode entfernt bzw. extrahiert und gleichzeitig die Oberfläche der Elektrode gereinigt. Bei der Reinigung der Oberfläche der Elektrode werden

Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel von der Oberfläche der Elektrode entfernt.

Durch das Entfernen des Porenbilders werden offene Poren in der Elektrode gebildet. Der später hinzugefügte Elektrolyt gelangt in diese Poren und kann Ionen transportieren. Der Elektrolyt gelangt somit in Kontakt mit der Oberfläche von großen Teilen des Aktivmaterials der Elektrode.

Durch den Porenbilder kann die Elektrode technisch einfach, insbesondere ohne Adhäsionsschicht oder mit einer sehr dünnen Adhäsionsschicht, auf dem

Stromsammler befestigt werden.

Das Lösemittel hängt von dem verwendeten Porenbilder ab. Es kann notwendig sein, das Lösemitel und/oder die Elektrode zu erwärmen oder zu erhitzen, um den Porenbilder aus der Elektrode zu entfernen.

Nach dem gleichzeitig stattfindenden Entfernen des Porenbilders aus der Elektrode und dem Entfernen von Schmutzpartikeln und/oder Fremdpartikeln von der Elektrode 40, kann das Lösemittel, in dem der Porenbilder gelöst ist, und die Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel (normalerweise in ungelöster Form) vorhanden sind, recycelt bzw. wiederverwendet werden.

Hierzu können die Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel, z.B. durch einen Sieb und/oder eine Membran, aus dem Lösemittel entfernt werden.

Durch Destillation kann das Lösemitel von dem Porenbilder getrennt werden.

Nun kann das Lösemitel (auch Lösungsmitel genannt) wiederverwendet werden. Auch der Porenbilder kann wiederverwendet werden. Der Porenbilder kann ein Feststoff oder eine Flüssigkeit, wie z.B. ein

Plastifizierungsmittel, beispielsweise Dibutylphthalat (DBP) sein.

Der Porenbilder kann Polyvinylpyrrolidon (PVP), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyren (PS) und/oder Dibutylphthalat (DBP) umfassen oder sein. Vorstellbar ist auch eine Mischung der genannten Stoffe als Porenbilder.

Das Lösemittel hängt von dem Material des Porenbilders ab.

Das Lösemittel kann Wasser oder Ethanol für Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Carboxymethylcellulose (CMC) umfassen oder sein. Für Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und/oder Polystyren (PS) kann das Lösemittel Aceton, Toluol, Xylol, Trichlorobenzol und/oder Tetrahydronaphthalin umfassen oder sein. Das Lösemittel für Dibutylphthalat (DBP) kann n-Hexan umfassen oder sein.

Die Elektrode wird üblicherweise in nur ein einziges Lösemittel eingetaucht, da die beiden Schritte (Entfernen des Porenbilders zum Erzeugen der Poren und Entfernen von losen Partikeln von der Oberfläche der Elektrode) durch das Lösemittel durchgeführt werden. Dies spart Zeit und Geld.

Weitere Möglichkeiten des Zustandekommens des Kontakts zwischen Lösemittel und Porenbilder bzw. der Oberfläche der Elektrode ist, dass das Lösemittel auf die Elektrode aufgesprüht wird.

Auch ist es möglich, dass das Lösemittel mittels eines weichen Gegenstands, z.B. einem Schwamm, auf die Oberfläche der Elektrode aufgebracht wird. Hierbei wird der Porenbilder aus der Elektrode herausgelöst und Schmutzpartikel und/oder Fremdpartikel von der Elektrode entfernt 40. Anschließend kann die Elektrode, beispielsweise mit Wasser, abgespült werden, um das Lösemittel von der Elektrode zu entfernen.

Ein Pol oder beide Pole einer Lithium-Batterie kann bzw. können eine wie vorstehend beschriebene Elektrode umfassen.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie„aufweisend“,

„umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie„eine“ oder„ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

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