DE102018217518A1 - Method of manufacturing an electrode for an accumulator - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (1) für einen Akkumulator (2), wobei die Elektrode (1) ein Elektrodenmaterial (3), zumindest umfassend eine Vielzahl von Partikeln (4) eines Aktivmaterials sowie ein Bindermaterial (5) zur räumlichen Fixierung der Partikel (4) des Aktivmaterials, aufweist; wobei das Elektrodenmaterial (3) zusätzlich Absorberpartikel (6) aufweist; wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist:a. Bereitstellen der Elektrode (1) mit dem Elektrodenmaterial (3);b. Bestrahlen des Elektrodenmaterials (3) mit mindestens einer Strahlungsquelle (7) zur gezielten Aktivierung der Absorberpartikel (6);c. Verändern einer räumlichen Struktur (9) des Elektrodenmaterials (3) in vorbestimmten Bereichen (10) des Elektrodenmaterials (3).Method for producing an electrode (1) for an accumulator (2), the electrode (1) being an electrode material (3), at least comprising a large number of particles (4) of an active material and a binder material (5) for spatially fixing the particles ( 4) the active material; the electrode material (3) additionally having absorber particles (6); the method comprising at least the following steps: a. Providing the electrode (1) with the electrode material (3) b. Irradiating the electrode material (3) with at least one radiation source (7) for the targeted activation of the absorber particles (6); c. Changing a spatial structure (9) of the electrode material (3) in predetermined areas (10) of the electrode material (3).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, ein Elektrodenmaterial zur Herstellung einer Elektrode, eine durch das Verfahren hergestellte Elektrode sowie einen Akkumulator. Die Elektrode wird insbesondere in Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt.The invention relates to a method for producing an electrode, an electrode material for producing an electrode, an electrode produced by the method and an accumulator. The electrode is used in particular in lithium-ion batteries.
Im Bereich der Lithium-Ionen-Akkumulatoren existieren verschiedene aufwändige Verfahren, um Elektroden dreidimensional zu strukturieren. Diese Methoden sind in der Anwendung oft kompliziert, teuer, schwer in bestehende Prozesse der Elektrodenfertigung wie z.B. Rolle-zu-Rolle-Verfahren einzubinden oder unflexibel in der Anwendung.In the field of lithium-ion batteries, there are various complex methods for structuring electrodes three-dimensionally. These methods are often complicated to use, expensive, difficult in existing electrode manufacturing processes such as Integrate roll-to-roll processes or inflexible in the application.
Die Strukturierung der Elektrode kann Vorteile bieten, z.B. hinsichtlich der verfügbaren Oberfläche und damit der Elektrodenkinetik, was höhere Lade- und Entladeraten ermöglicht.The structuring of the electrode can offer advantages, e.g. with regard to the available surface and thus the electrode kinetics, which enables higher charging and discharging rates.
Üblicherweise erfolgen Strukturierungen der Elektroden über den Einsatz bereits vorstrukturierter Trägermaterialien (Ableiter) wie z.B. Netze oder Gitter, bzw. geätzte oder mikrostrukturierte Strukturen auf deren Oberfläche. Die Strukturierung der Elektrode selbst kann ebenfalls über chemisches Ätzen oder über gängige Mikrostrukturierungsmethoden wie z. B. Photolithographie, Epitaxie oder Laserstrukturierung erfolgen. Ebenso ist eine Strukturierung über die Verwendung strukturierter Ausgangspartikel möglich wie z. B. stark poröse Partikel, faser- oder röhrenartige Partikel bzw. allgemein über Form und Größe der Ausgangspartikel. Eine weitere Lösung ist die Ausrichtung der Partikel in einem Magnetfeld und Fixierung der Ausrichtung während des Trocknens der Elektrode.The electrodes are usually structured using pre-structured carrier materials (arresters) such as e.g. Nets or grids, or etched or microstructured structures on their surface. The structuring of the electrode itself can also be carried out using chemical etching or conventional microstructuring methods such as e.g. B. photolithography, epitaxy or laser structuring. Structuring via the use of structured initial particles is also possible, e.g. B. highly porous particles, fibrous or tubular particles or generally about the shape and size of the starting particles. Another solution is to align the particles in a magnetic field and fix the alignment while the electrode is drying.
Die Nachteile der jeweiligen Verfahren sind spezifisch für das konkrete Verfahren. Mikrostrukturierungsverfahren, die Epitaxie oder Photolithographie nutzen, sind oft komplex und teuer. Laserstrukturierung ist je nach Detailgrad der zu erzeugenden Strukturierung ebenfalls teuer und zeitintensiv bzw. erlaubt lediglich die Erzeugung von Oberflächenstrukturen, da die Eindringtiefe einer Laserstrahlung begrenzt ist. Die Anwendung von chemischem Ätzen ist stark materialspezifisch und kann unter Umständen inkompatibel mit anderen Bestandteilen der Elektrodenmixtur bzw. des Elektrodenmaterials sein. Die Vorstrukturierung des Ableiters ist lediglich eine Verlagerung des Prozesses, weist aber ähnliche Probleme auf. Die Erzeugung strukturierter Ausgangspartikel ist, je nach gewünschter Modifikation, kompliziert und erfordert zusätzliche Schritte bei der Materialsynthese wie z. B. Ätzen oder Sintern, durch die der Preis der Ausgangsmaterialien deutlich erhöht werden kann. Die Strukturierung der Partikel selbst oder deren Ausrichtung im Magnetfeld hat Auswirkungen auf die Performance der Partikel und erfordert zum Teil andere Prozessschritte beim Fertigen der Elektrode (unterschiedliche Mischung, Verwendung anderer Bindermaterialien, Besetzung der Partikeloberfläche mit Inaktivpartikeln, Verwendung starker Magneten).The disadvantages of the respective processes are specific to the specific process. Microstructuring techniques that use epitaxy or photolithography are often complex and expensive. Depending on the level of detail of the structuring to be generated, laser structuring is likewise expensive and time-consuming or only allows the generation of surface structures, since the penetration depth of laser radiation is limited. The use of chemical etching is highly material-specific and may be incompatible with other components of the electrode mixture or the electrode material. The pre-structuring of the arrester is only a relocation of the process, but has similar problems. The generation of structured starting particles is, depending on the desired modification, complicated and requires additional steps in material synthesis such as. B. etching or sintering, through which the price of the starting materials can be significantly increased. The structuring of the particles themselves or their alignment in the magnetic field has an impact on the performance of the particles and sometimes requires different process steps when manufacturing the electrode (different mix, use of other binder materials, occupation of the particle surface with inactive particles, use of strong magnets).
Die genannten Verfahren unterliegen in der Praxis ständigen Verbesserungen. Um Kosten und Aufwand zu senken, werden Mikrostrukturierungsverfahren oft auf relativ einfache Oberflächenstrukturierungen begrenzt. Kommerziell erhältliche Partikel sind meist relativ einfach strukturiert, um Kosten zu senken. Ätzverfahren werden spezifisch auf Elektrodenmaterialien angepasst, um die gewünschten Effekte zu erzielen.The methods mentioned are subject to constant improvement in practice. To reduce costs and effort, microstructuring processes are often limited to relatively simple surface structuring. Commercially available particles are usually structured relatively simply in order to reduce costs. Etching processes are specifically adapted to electrode materials in order to achieve the desired effects.
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein weiteres Verfahren zur Strukturierung von Elektrodenmaterial vorgeschlagen werden. Die Strukturierung soll insbesondere die verfügbare Oberfläche eines Aktivmaterials innerhalb des Elektrodenmaterials erhöhen, so dass insbesondere höhere Lade- und Entladeraten ermöglicht werden. Das Verfahren soll insbesondere einfach durchzuführen, flexibel und kostengünstig sowie in gängigen Prozessverfahren wie Rolle-zu-Rolle einsetzbar sein.The object of the present invention is to at least partially solve the problems mentioned with reference to the prior art. In particular, a further method for structuring electrode material is to be proposed. The structuring is intended in particular to increase the surface area of an active material within the electrode material, so that in particular higher charging and discharging rates are made possible. In particular, the method should be easy to carry out, flexible and inexpensive and can be used in common process methods such as roll-to-roll.
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.A method with the features according to
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für einen Akkumulator vorgeschlagen. Die Elektrode weist ein Elektrodenmaterial auf, zumindest umfassend eine Vielzahl von Partikeln eines Aktivmaterials sowie ein Bindermaterial zur räumlichen Fixierung der Partikel des Aktivmaterials. Das Elektrodenmaterial umfasst zusätzlich Absorberpartikel. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:
- a. Bereitstellen der Elektrode mit dem Elektrodenmaterial;
- b. Bestrahlen des Elektrodenmaterials mit mindestens einer Strahlungsquelle zur gezielten Aktivierung der Absorberpartikel;
- c. (zumindest) Verändern einer räumlichen Struktur des Elektrodenmaterials in vorbestimmten Bereichen des Elektrodenmaterials.
- a. Providing the electrode with the electrode material;
- b. Irradiating the electrode material with at least one radiation source for targeted activation of the absorber particles;
- c. (at least) changing a spatial structure of the electrode material in predetermined areas of the electrode material.
Bindermaterial wird dem Elektrodenmaterial insbesondere beigesetzt, um die Kohäsion zwischen den Partikeln des Elektrodenmaterials bzw. des Aktivmaterials selbst und zwischen Partikeln und einem Ableiter zu verbessern. Erst durch das Bindermaterial ist in den meisten Fällen ein Zusammenhalt der Elektrode möglich. Als Bindermaterialien werden z. B. Polymere bzw. Polymerverbindungen eingesetzt.Binder material is especially added to the electrode material in order to improve the cohesion between the particles of the electrode material or the active material itself and between particles and a conductor. In most cases, the electrode can be held together only by the binder material. As binder materials such. B. polymers or polymer compounds are used.
Mögliche, allgemein übliche Bindermaterialien sind z. B. Polyvinylidendifluorid (PvdF), Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien Kautschuk (SBR), Polyacrylsäure (PAA), Polyacrylamid (PAM), Polymethylmethacrylat (PMMA), Alginate, natürliche Gummiderivate (Xanthan, Gellan, Guaran) etc. und andere organische Polymere.Possible, generally customary binder materials are e.g. B. polyvinylidene difluoride (PvdF), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylic acid (PAA), polyacrylamide (PAM), polymethyl methacrylate (PMMA), alginates, natural rubber derivatives (xanthan, gellan, guarane) etc. and others organic polymers.
Das Elektrodenmaterial umfasst zusätzlich Absorberpartikel. Insbesondere sind die Absorberpartikel innerhalb oder zumindest benachbart zum Bindermaterial angeordnet.The electrode material additionally includes absorber particles. In particular, the absorber particles are arranged within or at least adjacent to the binder material.
Die Elektrode umfasst insbesondere weiter einen (elektrischen Strom-)Ableiter, z. B. ein Elektrodenblech, auf dem das Elektrodenmaterial angeordnet ist sowie ggf. zusätzlich einen elektronischen Leitzusatz im Elektrodenmaterial, z. B. Leitruß, Graphen, Carbon-Nanotubes, Carbon-Nanorods und andere. Der Leitzusatz kann insbesondere zumindest teilweise durch die Absorberpartikel ersetzt werden.The electrode in particular further comprises an (electrical current) arrester, e.g. B. an electrode sheet on which the electrode material is arranged and, if necessary, additionally an electronic guide additive in the electrode material, for. B. conductive carbon black, graphene, carbon nanotubes, carbon nanorods and others. The key additive can in particular be at least partially replaced by the absorber particles.
Insbesondere wird als Strahlungsquelle ein Mikrowellenstrahler eingesetzt, der eine Mikrowellenstrahlung emittiert. Auch ein gemeinsamer Einsatz von unterschiedlichen Strahlungsquellen oder ein Einsatz einer anderen Strahlungsquelle (z. B. Infrarotstrahler) ist möglich. Insbesondere wird ausschließlich eine Art von Strahlungsquelle eingesetzt.In particular, a microwave radiator is used as the radiation source, which emits microwave radiation. It is also possible to use different radiation sources together or to use another radiation source (e.g. infrared radiator). In particular, only one type of radiation source is used.
Mit dem Einsatz von Strahlung, insbesondere von Mikrowellenstrahlung, kann insbesondere punktuell die Struktur des in dem Elektrodenmaterial vorhandenen Bindermaterials zerstört werden. Insbesondere erfolgt das durch Aktivierung der Absorberpartikel (z. B. Erwärmung der Absorberpartikel oder durch Aktivierung von als Radikalbildner ausgeführten Absorberpartikel), wobei nach Aktivierung eine Zersetzung des Bindermaterials einsetzt.With the use of radiation, in particular microwave radiation, the structure of the binder material present in the electrode material can in particular be destroyed at certain points. In particular, this is done by activating the absorber particles (e.g. heating the absorber particles or by activating absorber particles designed as radical formers), with the binder material decomposing after activation.
Es wird also insbesondere vorgeschlagen, nicht direkt die Zersetzung des Bindermaterials anzuregen, sondern z. B. durch Absorption der Strahlung an anderen Materialien, nämlich den Absorberpartikeln (z.B. Kohlenstoff), z. B. lokale Hotspots zu erzeugen, die zu einer thermischen Zersetzung des Bindermaterials führen.It is therefore proposed in particular not to directly stimulate the decomposition of the binder material, but e.g. B. by absorption of the radiation on other materials, namely the absorber particles (e.g. carbon), e.g. B. to generate local hotspots that lead to thermal decomposition of the binder material.
Durch den Einsatz von Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung bzw. Mikrowellenstrahlung, kann das Bindermaterial über die Aktivierung von Absorberpartikeln zielgerichtet zersetzt werden, wodurch es seine bindende Wirkung verliert und der Zusammenhalt des Elektrodenmaterials aufgelöst wird.By using radiation, in particular infrared radiation or microwave radiation, the binder material can be decomposed in a targeted manner by activating absorber particles, as a result of which it loses its binding effect and the cohesion of the electrode material is dissolved.
Die Aktivierung der Absorberpartikel bzw. das Zersetzen des Bindermaterials kann zudem über die Bildung von Interferenzen durch die Strahlung erfolgen. Dazu werden mindestens zwei Strahlungsquellen eingesetzt, deren Strahlung zur Bildung von Interferenzen ausgerichtet wird.The activation of the absorber particles or the decomposition of the binder material can also take place via the formation of interference by the radiation. For this purpose, at least two radiation sources are used, the radiation of which is oriented to form interference.
Insbesondere ist eine Positionierung der Intensitätsmaxima im Inneren des Elektrodenmaterials über eine Winkelbeziehung und Wellenlängenmodulation der verwendeten Strahlungsart möglich. Die Energie der Strahlung und der jeweiligen Maxima kann so eingestellt werden, dass eine zum Zersetzen des Bindermaterials notwendige Intensität nur an den Interferenzmaxima der Strahlung erfolgt. Über die Positionierung der Intensitätsmaxima kann so eine Struktur innerhalb des Elektrodenmaterials erzeugt werden.In particular, it is possible to position the intensity maxima in the interior of the electrode material via an angular relationship and wavelength modulation of the type of radiation used. The energy of the radiation and the respective maxima can be set in such a way that an intensity necessary for the decomposition of the binder material occurs only at the interference maxima of the radiation. By positioning the intensity maxima, a structure can be created within the electrode material.
Das in seiner Haftung beeinflusste Material des Elektrodenmaterials (insbesondere das zersetzte Bindermaterial und ggf. die Absorberpartikel) kann anschließend von dem Elektrodenmaterial physikalisch entfernt werden.The material of the electrode material which is influenced in its adhesion (in particular the decomposed binder material and possibly the absorber particles) can then be physically removed from the electrode material.
Die Einstrahlung der Strahlung ist hierbei, abgesehen vom gewünschten Effekt, eine nichtinvasive und kontaktfreie Technik, die eine einfache Bestrahlung z. B. einer Bandrolle ermöglicht. Das Band muss dabei lediglich unter einer Strahlungsquelle und/oder durch die Fokus- bzw. Interferenzebene z. B. zweier gezielt angeordneter Strahlungsquellen geführt werden. Der an die Zersetzung des Bindermaterials sich anschließende Abtrag des überschüssigen Materials kann z. B. durch Druckluftabblasen oder Abrütteln erfolgen.Irradiation of the radiation is, apart from the desired effect, a non-invasive and non-contact technique, which is a simple radiation z. B. allows a tape roll. The band only has to be placed under a radiation source and / or through the focus or interference plane, e.g. B. two specifically arranged radiation sources. The removal of the excess material following the decomposition of the binder material can e.g. B. by blowing compressed air or shaking.
Insbesondere ist es möglich, andere Materialien in das Elektrodenmaterial einzubringen, um in Reaktion mit der Strahlung Strukturierungseffekte zu erzielen, z. B. durch Stoffe, die bei Bestrahlung Gase freisetzen.In particular, it is possible to introduce other materials into the electrode material in order to achieve structuring effects in response to the radiation, e.g. B. by substances that release gases when irradiated.
Die Verwendung von Strahlung, insbesondere Infrarot- oder Mikrowellenstrahlung, kann spezifisch auf die verwendeten Absorberpartikel angepasst werden, so dass ein Energieeintrag im Wesentlichen nur in die Absorberpartikel erfolgt. Thermische Belastungen der Elektrode bzw. der anderen Komponenten oder Bereiche der Elektrode werden insbesondere vermieden.The use of radiation, in particular infrared or microwave radiation, can be specifically adapted to the absorber particles used, so that energy is essentially only introduced into the absorber particles. Thermal stresses on the electrode or the other components or areas of the electrode are in particular avoided.
Durch die Verteilung und gezielte Bestrahlung von Absorberpartikeln in einem bestimmten Bereich des Elektrodenmaterials kann eine Zersetzungswirkung insbesondere lokal begrenzt werden.Through the distribution and targeted irradiation of absorber particles in a specific area of the electrode material, a decomposition effect can be limited, in particular locally.
Durch in dem Elektrodenmaterial (gezielt) verteilte Absorberpartikel kann die Strahlung, insbesondere die Mikrowellenstrahlung, genutzt werden, um punktuell um die Absorberpartikel die Elektrode zu erhitzen und lokal und damit räumlich begrenzt das Bindermaterial zu zersetzen. Die Wellenlänge bzw. Frequenz der Strahlung kann dabei auf die Resonanzfrequenz der Absorberpartikel eingestellt werden, um einen Einfluss auf die anderen Elektrodenbestandteile zu minimieren. Es ist auch möglich Radikalbildende Absorberpartikel einzubringen die nach Anregung eine chemische Zersetzung des Bindermaterials herbeiführen ohne Hitzeentwicklung.By means of absorber particles distributed in a targeted manner in the electrode material, the radiation, in particular microwave radiation, can be used to selectively heat the electrode around the absorber particles and to decompose the binder material locally and thus with limited space. The wavelength or frequency of the radiation can be adjusted to the resonance frequency of the absorber particles in order to minimize an influence on the other electrode components. It is also possible to introduce radical-forming absorber particles which, after excitation, bring about a chemical decomposition of the binder material without the development of heat.
Das in seiner Haftung beeinflusste Material kann anschließend von der Elektrode physikalisch entfernt werden. Die Struktur der Elektrode kann dabei über die Verteilung der Absorberpartikel und insbesondere über die Positionierung der Interferenzmaxima in der Elektrode gesteuert werden.The material affected in its adhesion can then be physically removed from the electrode. The structure of the electrode can be controlled via the distribution of the absorber particles and in particular via the positioning of the interference maxima in the electrode.
Die Frequenz bzw. Wellenlänge der Strahlung kann in einem kleinen Bereich um die Resonanzfrequenz der Absorberpartikel moduliert werden, um z. B. die Eindringtiefe in das Elektrodenmaterial zu steuern. Entspricht die Frequenz der Strahlung genau der Resonanzfrequenz, wird durch die hohe Absorption kein tiefes Eindringen erreicht, weicht die Frequenz leicht ab, ist die Absorption geringer und die Eindringtiefe höher. Die geringere Absorption kann durch höhere Intensität der Strahlung ausgeglichen werden. Weiter kann die Eindringtiefe über eine Verteilung der Absorberpartikel in dem Elektrodenmaterial gesteuert werden.The frequency or wavelength of the radiation can be modulated in a small range around the resonance frequency of the absorber particles in order, for. B. to control the depth of penetration into the electrode material. If the frequency of the radiation corresponds exactly to the resonance frequency, no deep penetration is achieved due to the high absorption, the frequency deviates slightly, the absorption is lower and the penetration depth is higher. The lower absorption can be compensated for by higher radiation intensity. Furthermore, the penetration depth can be controlled via a distribution of the absorber particles in the electrode material.
Die Einkopplung der thermischen Energie bedingt insbesondere ein Erhitzen der Absorberpartikel, die im Wesentlichen aus Metallen bzw. Stoffen mit hoher elektrischer Permittivität bestehen. Materialien mit hoher elektrischer Permittivität sind typischerweise Metall- und Übergangsmetalloxide wie beispielsweise Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Titandioxid, Hafniumdioxid, Lanthanoxid, Tantaloxid, Yttriumoxid, Zirkoniumdioxid (auch Yttriumstabilisiert), Aluminiumoxid, Calcium-Kupfertitanat (CCTO mit Perowskitstruktur) und viele weitere. Auch können sog. Radikalstarter als Absorberpartikel verwendet werden die bei Aktivierung in Radikale zerfallen und so den Binder zersetzen z.B. Azoisobutyronitril (AIBN), Dibenzolperoxid (DBPO), weitere Azo-Verbindungen, organische und anorganische Peroxide (z.B. Peroxodisulfate) und viele weitere.The coupling of the thermal energy in particular requires heating of the absorber particles, which essentially consist of metals or substances with high electrical permittivity. Materials with high electrical permittivity are typically metal and transition metal oxides such as barium titanate, strontium titanate, titanium dioxide, hafnium dioxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, yttrium oxide, zirconium dioxide (also yttrium stabilized), aluminum oxide, calcium copper titanate (CCTO with perovskite structure) and many others. So-called radical starters can also be used as absorber particles which break down into radicals when activated and thus decompose the binder, e.g. Azoisobutyronitrile (AIBN), dibenzene peroxide (DBPO), other azo compounds, organic and inorganic peroxides (e.g. peroxodisulfates) and many more.
Im Falle von Metallpartikeln als Absorberpartikel können diese zusätzlich als Leitzusatz in dem Elektrodenmaterial dienen und partiell den dafür üblicherweise eingesetzten Kohlenstoff (Leitruß) ersetzen.In the case of metal particles as absorber particles, these can additionally serve as a conductive additive in the electrode material and partially replace the carbon (conductive carbon black) usually used for this.
Insbesondere ist das zusätzliche Beimischen weiterer Komponenten in das Elektrodenmaterial, um eine Strukturierung zu erreichen, nicht erwünscht, da es zusätzlichen Aufwand erfordert und Aktivmaterial des Elektrodenmaterials der Elektrode ersetzt wird. Damit sinkt die Energiedichte der Elektrode. Die Absorberpartikel können daher z. B. durch eine bereits vorhandene Strukturkomponente (den Leitruß) der Elektrode zumindest teilweise gebildet werden.In particular, the additional admixing of further components into the electrode material in order to achieve a structuring is not desirable, since it requires additional effort and active material of the electrode material of the electrode is replaced. This reduces the energy density of the electrode. The absorber particles can therefore, for. B. at least partially formed by an already existing structural component (the soot) of the electrode.
Das Bindermaterial ist insbesondere die thermisch instabilste Komponente der Elektrode bzw. des Elektrodenmaterials und wird daher durch thermische Belastung vorrangig zersetzt, sobald sich Temperaturmaxima in der Elektrode bzw. in dem Elektrodenmaterial ausbilden.The binder material is in particular the most thermally unstable component of the electrode or the electrode material and is therefore primarily decomposed by thermal stress as soon as temperature maxima form in the electrode or in the electrode material.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht insbesondere eine kostengünstige und nichtinvasive Strukturierung von Elektroden und ist zu den bestehenden Elektrodenherstellungs- und Prozessierungsverfahren vollständig kompatibel. Die Strukturierung kann z. B. im Rolle-zu-Rolle-Prozess erfolgen und erfordert lediglich das Einbringen der bestehenden Elektrode in ein Strahlungsfeld einer oder mehrerer Strahlungsquellen. Insbesondere sind ggf. keine Änderungen an der Zusammensetzung oder den Bestandteilen der Elektrode nötig, da ggf. ausschließlich bestehende Komponenten (Bindermaterial und Leitruß) des Elektrodenmaterials für die Strukturierung genutzt werden.The proposed method enables, in particular, inexpensive and non-invasive structuring of electrodes and is completely compatible with the existing electrode manufacturing and processing methods. The structuring can e.g. B. in the roll-to-roll process and only requires the introduction of the existing electrode in a radiation field of one or more radiation sources. In particular, no changes to the composition or components of the electrode may be necessary, since only existing components (binder material and conductive carbon black) of the electrode material may be used for the structuring.
Bevorzugt wird als Strahlungsquelle zumindest ein Mikrowellenstrahler eingesetzt, der eine Mikrowellenstrahlung emittiert, durch die die Absorberpartikel erwärmt oder angeregt werden.At least one microwave radiator is preferably used as the radiation source, which emits microwave radiation, by means of which the absorber particles are heated or excited.
Insbesondere weist die Mikrowellenstrahlung eine Frequenz im Bereich von 300 MHz [MegaHertz] bis 300 GHz [GigaHertz] auf. Insbesondere beträgt die Wellenlänge der Strahlung zwischen 1 mm [Millimeter] bis 1.000 mm. In particular, the microwave radiation has a frequency in the range from 300 MHz [MegaHertz] to 300 GHz [GigaHertz]. In particular, the wavelength of the radiation is between 1 mm [millimeters] and 1,000 mm.
Insbesondere kann zusätzlich oder alternativ Infrarotstrahlung eingesetzt werden. Insbesondere weist die Infrarotstrahlung eine Wellenlänge im Bereich von 0,8 µm [Mikrometer] bis 1.000 µm auf.In particular, infrared radiation can additionally or alternatively be used. In particular, the infrared radiation has a wavelength in the range from 0.8 µm [micrometer] to 1,000 µm.
Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung und Mikrowellenstrahlung, bezeichnet elektromagnetische Wellen mit den angegebenen Wellenlängen und/oder Frequenzen.Radiation, in particular infrared radiation and microwave radiation, denotes electromagnetic waves with the specified wavelengths and / or frequencies.
Insbesondere umfassen die Absorberpartikel zumindest teilweise Metalloxide oder Übergangsmetalloxide, die infolge der Bestrahlung aktiviert und damit erwärmt werden.In particular, the absorber particles at least partially comprise metal oxides or transition metal oxides, which are activated as a result of the radiation and thus heated.
Alternativ oder zusätzlich können die Absorberpartikel zumindest teilweise Radikalbildner umfassen, die durch Erwärmung oder photochemische Anregung infolge der Bestrahlung aktiviert werden und im aktivierten Zustand ein benachbart angeordnetes Bindermaterial (z. B. ein Polymer) zumindest teilweise (chemisch) zersetzen.As an alternative or in addition, the absorber particles can at least partially comprise free-radical formers, which are activated by heating or photochemical excitation as a result of the radiation and, in the activated state, at least partially (chemically) decompose an adjacent binder material (e.g. a polymer).
Die verwendete Wellenlänge bzw. Frequenz der Strahlung kann zudem auf die Absorptionsmaxima des verwendeten Absorbermaterials in dem Elektrodenmaterial angepasst werden.The wavelength or frequency of the radiation used can also be adapted to the absorption maxima of the absorber material used in the electrode material.
Weiter ist die verwendete Wellenlänge bzw. Frequenz der Strahlung insbesondere abhängig von der gewünschten Struktur.Furthermore, the wavelength or frequency of the radiation used is particularly dependent on the desired structure.
Das Bindermaterial wird insbesondere thermisch (durch Bildung von Hotspots) oder chemisch (durch Aktivierung der Radikalbildner) zersetzt. Ist die Intensität der Strahlung ausreichend hoch, kommt es zum Bindungsbruch, z. B. von als Bindermaterial eingesetzten Polymeren, und zum Zersetzen des Bindermaterials. Das Bindermaterial wird entweder vollständig zersetzt oder eine Polymerstruktur wird aufgelöst. In beiden Fällen verliert es seine bindenden Eigenschaften und erlaubt einen anschließenden physikalischen Materialabtrag.The binder material is decomposed in particular thermally (by forming hotspots) or chemically (by activating the radical formers). If the intensity of the radiation is sufficiently high, the bond breaks, e.g. B. of polymers used as binder material, and for decomposing the binder material. The binder material is either completely decomposed or a polymer structure is dissolved. In both cases, it loses its binding properties and allows physical material to be subsequently removed.
Insbesondere kann eine Strukturierung auch erreicht werden, indem durch die Verwendung von mindestens zwei diskreten Strahlungsquellen über Winkelbeziehungen und ggf. (leichte) Wellenlängenmodifikation ein Interferenzmuster in dem Elektrodenmaterial erzeugt wird. Die zum Zersetzen des Bindermaterials nötige Intensität tritt dabei insbesondere (nur) an den Interferenzmaxima der Strahlung auf und kann somit dreidimensional in dem Elektrodenmaterial verteilt werden.In particular, structuring can also be achieved by generating an interference pattern in the electrode material through the use of at least two discrete radiation sources via angular relationships and possibly (slight) wavelength modification. The intensity required to decompose the binder material occurs in particular (only) at the interference maxima of the radiation and can thus be distributed three-dimensionally in the electrode material.
Es besteht insbesondere die Möglichkeit, Interferenzerscheinungen von Mikrowellen zu nutzen, um örtliche Intensitätsmaxima der Mikrowellenstrahlung innerhalb des Elektrodenmaterials zu erzeugen. Die Strahlung kann dann über andere Bestandteile der Elektrode, die nicht gezielt als Absorbermaterialien eingesetzt werden, eingekoppelt werden und zu lokalen Hotspots führen.In particular, there is the possibility of using interference phenomena from microwaves in order to generate local intensity maxima of the microwave radiation within the electrode material. The radiation can then be coupled in via other components of the electrode that are not specifically used as absorber materials and lead to local hotspots.
Zur Herstellung komplexerer Interferenzmuster kann der Einsatz weiterer Strahlungsquellen erfolgen.Additional radiation sources can be used to produce more complex interference patterns.
Das Einbringen spezifischer Absorberpartikel ermöglicht insbesondere die Einrichtung eines unkomplizierten Bestrahlungsprozesses. Die Wellenlänge der Strahlung kann auf die Absorberpartikel eingestellt werden. Insbesondere ist eine Variation des Materials der Absorberpartikel selbst nicht nötig. Die Auswahl der Absorberpartikel bzw. des dafür verwendeten Materials richtet sich im Wesentlichen nach der chemischen Umgebung in dem Elektrodenmaterial bzw. in der Elektrode und/oder nach der Stabilität des Materials in dieser Umgebung. Die chemische Umgebung in den meisten Ableitern und Elektrodenmaterialien ist allerdings sehr ähnlich, so dass dieselben Absorberpartikel bei vielen verschiedenen Elektrodensystemen eingesetzt werden können.The introduction of specific absorber particles enables in particular the establishment of an uncomplicated radiation process. The wavelength of the radiation can be adjusted to the absorber particles. In particular, it is not necessary to vary the material of the absorber particles themselves. The selection of the absorber particles or the material used for this essentially depends on the chemical environment in the electrode material or in the electrode and / or on the stability of the material in this environment. However, the chemical environment in most surge arresters and electrode materials is very similar, so that the same absorber particles can be used in many different electrode systems.
Im Falle von Metallen als Absorberpartikel kann insbesondere der vermeintliche Nachteil eines zusätzlich nötigen Elektrodenbestandteils dadurch ausgeglichen werden, dass das Metall partiell den typischen Leitzusatz (Kohlenstoff) in dem Elektrodenmaterial ersetzen kann.In the case of metals as absorber particles, the supposed disadvantage of an additionally necessary electrode component can in particular be compensated for by the fact that the metal can partially replace the typical conductive additive (carbon) in the electrode material.
Bei der Verwendung von Radikalbildnern als Absorberpartikel sollte insbesondere beachtet werden, dass die gebildeten Radikale neben dem Bindermaterial auch unspezifisch andere Bestandteile der Elektrode bzw. des Elektrodenmaterials angreifen können. Weiter sollten die Radikalbildner insbesondere aktiviert werden, während sich das Elektrodenmaterial im nassen Zustand befindet, um effektiv zu sein.When using radical formers as absorber particles, particular attention should be paid to the fact that the radicals formed can also attack non-specific other components of the electrode or the electrode material in addition to the binder material. In addition, the radical formers should be activated in particular while the electrode material is in the wet state in order to be effective.
Insbesondere erfolgt die Aktivierung der Radikalbildner mit Strahlung im sichtbaren (Frequenz-)Bereich, die aber auch von anderen Bestandteilen (Kohlenstoff, Aktivmaterial) des Elektrodenmaterials stark absorbiert wird.In particular, the radical formers are activated with radiation in the visible (frequency) range, but this is also strongly absorbed by other components (carbon, active material) of the electrode material.
Das strukturierte Elektrodenmaterial zeigt insbesondere eine verbesserte Durchdringung durch einen Elektrolyten und somit einen optimierten Stofftransport. Es können insbesondere höhere Lade- und Entladestrome und damit eine höhere Leistung eines Akkumulators erreicht werden, in dem die Elektrode eingesetzt wird.The structured electrode material shows in particular an improved penetration through an electrolyte and thus an optimized mass transport. In particular, higher charging and discharging currents and thus a higher output of an accumulator in which the electrode is used can be achieved.
Insbesondere umfasst das Verändern der räumlichen Struktur zumindest ein zumindest teilweises Zersetzen des Bindermaterials in vorbestimmten Bereichen des Elektrodenmaterials. In particular, changing the spatial structure comprises at least partially decomposing the binder material in predetermined areas of the electrode material.
Insbesondere wird nach Schritt c. in einem weiteren Schritt d. das zumindest teilweise zersetzte Bindermaterial aus der Elektrode bzw. aus dem Elektrodenmaterial entfernt.In particular, after step c. in a further step d. the at least partially decomposed binder material is removed from the electrode or from the electrode material.
Bevorzugt erfolgt die Entfernung durch ein Abblasen (z. B. durch Druckluft) oder durch ein Abrütteln (also ein Bewegen bzw. Schütteln der Elektrode, so dass das zersetzte Bindermaterial aus dem Elektrodenmaterial herausfällt). Auch andere Abtrennverfahren wie zentrifugales Schleudern, Absaugen oder ähnliches sind möglich.The removal is preferably carried out by blowing off (for example by compressed air) or by shaking (ie moving or shaking the electrode so that the decomposed binder material falls out of the electrode material). Other separation processes such as centrifugal spinning, suction or the like are also possible.
Insbesondere umfasst das Verändern der räumlichen Struktur eine zumindest teilweise Umwandlung eines Bestandteils des Elektrodenmaterials in einen gasförmigen Zustand, wobei zumindest dieser umgewandelte und nun gasförmige Bestandteil aus dem Elektrodenmaterial entfernt wird.In particular, changing the spatial structure comprises at least partially converting a component of the electrode material into a gaseous state, at least this converted and now gaseous component being removed from the electrode material.
Insbesondere erfolgt das Verändern der räumlichen Struktur in einem inneren Bereich des Elektrodenmaterials, also beabstandet von einer Oberfläche der Elektrodenmaterials.In particular, the spatial structure is changed in an inner region of the electrode material, that is to say at a distance from a surface of the electrode material.
Bevorzugt umfasst das Verändern der räumlichen Struktur die Bildung von mindestens einem Hohlraum (insbesondere einer Vielzahl von Hohlräumen) innerhalb des Elektrodenmaterials, oder zumindest einer Vertiefung (insbesondere einer Vielzahl von Vertiefungen in Form einer Struktur) an der Oberfläche der Elektrode.Changing the spatial structure preferably includes the formation of at least one cavity (in particular a plurality of cavities) within the electrode material, or at least one depression (in particular a plurality of depressions in the form of a structure) on the surface of the electrode.
Der mindestens eine erzeugte Hohlraum oder Vertiefung kann dazu eingesetzt werden, Volumenänderungen des Elektrodenmaterials, insbesondere im Betrieb eines Akkumulators (also bei einem Laden bzw. Entladen), abzufangen bzw. zu kompensieren. Insbesondere kann so ein Entstehen von Spannungen im Elektrodenmaterial verringert oder verhindert werden.The at least one created cavity or depression can be used to intercept or compensate for changes in volume of the electrode material, in particular during the operation of a rechargeable battery (ie when charging or discharging). In particular, the generation of voltages in the electrode material can be reduced or prevented.
Insbesondere wird eine Wellenlänge bzw. Frequenz der Strahlung unter Berücksichtigung eines Absorptionsmaximums der Absorptionspartikel ausgewählt und eingesetzt.In particular, a wavelength or frequency of the radiation is selected and used taking into account an absorption maximum of the absorption particles.
Insbesondere kann die Wellenlänge bzw. die Frequenz also genau auf das jeweilige Absorptionsmaximum der Absorptionspartikel eingestellt werden, so dass eine maximale Einkopplung der Strahlungsenergie in die Absorptionspartikel erfolgt.In particular, the wavelength or the frequency can thus be set precisely to the respective absorption maximum of the absorption particles, so that the radiation energy is coupled into the absorption particles to a maximum.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung kann die Wellenlänge bzw. Frequenz aber auch gerade nicht auf das jeweilige Absorptionsmaximum der Absorptionspartikel eingestellt werden, so dass eine Einkopplung der Strahlungsenergie in die Absorptionspartikel verringert wird und auch tieferliegende (also von der Oberfläche des Elektrodenmaterials weiter entfernte) Absorptionspartikel durch die Strahlung erreicht und angeregt werden können.According to another embodiment, the wavelength or frequency cannot be adjusted to the respective absorption maximum of the absorption particles, so that coupling of the radiation energy into the absorption particles is reduced and also lower-lying absorption particles (i.e. further away from the surface of the electrode material) due to the absorption particles Radiation can be reached and excited.
Insbesondere wird eine Wellenlänge der Strahlung unter Berücksichtigung eines Absorptionsmaximum eines anderen Materials der Elektrode als der Absorptionspartikel ausgewählt und eingesetzt, so dass eine zumindest teilweise Zersetzung des Bindermaterials durch eine Wärmeleitung ausgehend von dem anderen Material (z. B. Leitzusätze) erfolgt. Insbesondere können andere Materialien, z. B. kohlenstoffhaltige Strukturen, angeregt werden, deren Struktur dann nicht verändert wird. Die Erwärmung des anderen Materials kann dann (ebenfalls) zur Zersetzung des Bindermaterials eingesetzt werden.In particular, a wavelength of the radiation is selected and used taking into account an absorption maximum of a different material of the electrode than the absorption particle, so that an at least partial decomposition of the binder material takes place due to heat conduction from the other material (e.g. conductive additives). In particular, other materials, e.g. B. carbon-containing structures, the structure of which is not changed. The heating of the other material can then (also) be used to decompose the binder material.
Weiter wird ein Elektrodenmaterial zur Herstellung einer Elektrode mit dem beschriebenen Verfahren vorgeschlagen, wobei das Elektrodenmaterial zumindest eine Vielzahl von Partikeln eines Aktivmaterials sowie ein Bindermaterial, zur räumlichen Fixierung der Partikel des Aktivmaterials, aufweist. Das Elektrodenmaterial weist zusätzlich Absorberpartikel auf.Furthermore, an electrode material for producing an electrode using the described method is proposed, the electrode material having at least a large number of particles of an active material and a binder material for spatially fixing the particles of the active material. The electrode material also has absorber particles.
Es wird weiter eine Elektrode für einen Akkumulator vorgeschlagen, hergestellt mit dem beschriebenen Verfahren. Insbesondere weist die Elektrode mindestens einen Hohlraum innerhalb eines Elektrodenmaterials oder eine Vertiefung an der Oberfläche der Elektrode auf.An electrode for a rechargeable battery is also proposed, produced using the described method. In particular, the electrode has at least one cavity within an electrode material or a depression on the surface of the electrode.
Es wird ein Akkumulator vorgeschlagen, zumindest aufweisend eine Anode und eine Kathode sowie ein Elektrolyt, wobei zumindest eine Anode und Kathode die beschriebene Elektrode ist, wobei der mindestens eine Hohlraum zumindest mit dem Elektrolyt gefüllt ist.An accumulator is proposed, at least having an anode and a cathode and an electrolyte, at least one anode and cathode being the electrode described, the at least one cavity being at least filled with the electrolyte.
Der Elektrolyt ist insbesondere Lithiumionen-leitend.The electrolyte is in particular lithium ion conductive.
Die Strukturierung der Elektroden und die so hergestellten Elektroden bzw. Akkumulatoren können insbesondere in allen momentanen und zukünftigen Anwendungsfeldern der Lithium-Ionen-Akkumulatoren Einsatz finden. Dazu gehören z. B. consumer electronics sowie Mikroelektronikanwendungen sowie stationäre oder mobile Energiespeicher und automotive Anwendungen.The structuring of the electrodes and the electrodes or accumulators produced in this way can be used in particular in all current and future fields of application of the lithium-ion accumulators. These include e.g. B. consumer electronics and microelectronic applications as well as stationary or mobile energy storage and automotive applications.
Die Ausführungen zu dem Verfahren gelten gleichermaßen für das Elektrodenmaterial, die Elektrode und den Akkumulator und umgekehrt.The statements regarding the method apply equally to the electrode material, the electrode and the accumulator and vice versa.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. As a precaution, it should be noted that the numerals used here ("first", "second", ...) serve primarily (only) to differentiate between several similar objects, sizes or processes, in particular no dependency and / or sequence of these objects, sizes or mandate processes to each other. If a dependency and / or sequence is required, this is explicitly stated here or it is evident for the person skilled in the art to study the specifically described configuration.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
-
1 : einen Akkumulator; -
2 : eine Elektrode vor der Strukturierung; -
3 : eine Elektrode nach der Strukturierung; und -
4 : eine Elektrode während der Strukturierung gemäß den Schritten b. und c. des Verfahrens.
-
1 : an accumulator; -
2nd : an electrode before structuring; -
3rd : an electrode after structuring; and -
4th : an electrode during the structuring according to steps b. and c. of the procedure.
Die Elektrode
In
In
Bei der Veränderung der Struktur
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- Elektrodeelectrode
- 22nd
- Akkumulatoraccumulator
- 33rd
- ElektrodenmaterialElectrode material
- 44th
- Partikelparticle
- 55
- BindermaterialBinder material
- 66
- AbsorberpartikelAbsorber particles
- 77
- StrahlungsquelleRadiation source
- 88th
- Strahlungradiation
- 99
- Strukturstructure
- 1010th
- BereichArea
- 11 11
- Oberflächesurface
- 1212th
- Hohlraumcavity
- 1313
- Materialmaterial
- 1414
- Anodeanode
- 1515
- Kathodecathode
- 1616
- Elektrolytelectrolyte
- 1717th
- AbleiterArrester
- 1818th
- Separatorseparator
- 1919th
- LeitzusatzKey addition
- 2020th
- LithiumionLithium ion
- 2121
- DiffusionspfadDiffusion path
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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---|---|---|---|---|
US20050089739A1 (en) * | 2003-09-10 | 2005-04-28 | Btu International, Inc. | Process for solid oxide fuel cell manufacture |
US20060115579A1 (en) * | 1996-05-22 | 2006-06-01 | Mukherjee Shyama P | Novel composite cathodes, electrochemical cells comprising novel composite cathodes, and processes for fabricating same |
-
2018
- 2018-10-12 DE DE102018217518.7A patent/DE102018217518A1/en active Pending
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US20060115579A1 (en) * | 1996-05-22 | 2006-06-01 | Mukherjee Shyama P | Novel composite cathodes, electrochemical cells comprising novel composite cathodes, and processes for fabricating same |
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