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DE102021125560A1 - Electrode, battery cell and method for producing an electrode of a battery cell - Google Patents

Electrode, battery cell and method for producing an electrode of a battery cell Download PDF

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DE102021125560A1
DE102021125560A1 DE102021125560.0A DE102021125560A DE102021125560A1 DE 102021125560 A1 DE102021125560 A1 DE 102021125560A1 DE 102021125560 A DE102021125560 A DE 102021125560A DE 102021125560 A1 DE102021125560 A1 DE 102021125560A1
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DE
Germany
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polyelectrolyte
coating material
electrode
lithium ions
battery cell
Prior art date
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DE102021125560.0A
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German (de)
Inventor
Miriam Kunze
Gerold Hübner
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POWERCO SE, DE
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Abstract

Elektrode (1) für eine Batteriezelle (2), zumindest umfassend ein mit einem Beschichtungsmaterial (3) beschichtetes Trägermaterial (4), das zumindest ein Aktivmaterial (5) zur Einlagerung von Lithiumionen sowie ein Polyelektrolyt (6) umfasst, wobei das Beschichtungsmaterial (3) eine durch das Polyelektrolyt (6) gebildete Gerüststruktur (7) aufweist, durch die eine Vielzahl von Leitungspfaden (8) für die Lithiumionen gebildet sind. Weiter werden eine entsprechende Batteriezelle (2) sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (1) einer Batteriezelle (2) angegeben.

Figure DE102021125560A1_0000
Electrode (1) for a battery cell (2), at least comprising a carrier material (4) coated with a coating material (3), which comprises at least one active material (5) for the incorporation of lithium ions and a polyelectrolyte (6), the coating material (3 ) has a framework structure (7) formed by the polyelectrolyte (6), through which a multiplicity of conduction paths (8) for the lithium ions are formed. A corresponding battery cell (2) and a method for producing an electrode (1) of a battery cell (2) are also specified.
Figure DE102021125560A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode einer Batteriezelle, eine Batteriezelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einer Batteriezelle. Die Elektrode umfasst zumindest ein mit einem Beschichtungsmaterial beschichtetes Trägermaterial, das zumindest ein Aktivmaterial zur Einlagerung von Lithiumionen aufweist. Das Trägermaterial umfasst insbesondere ein bandförmiges Trägermaterial.The invention relates to an electrode of a battery cell, a battery cell and a method for producing an electrode of a battery cell. The electrode comprises at least one carrier material which is coated with a coating material and has at least one active material for the incorporation of lithium ions. The carrier material comprises in particular a carrier material in the form of a strip.

Für den Antrieb von Kraftfahrzeugen werden vermehrt Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Batterien werden üblicherweise aus Batteriezellen zusammengesetzt, wobei jede Batteriezelle einen Stapel von Anoden-, Kathoden- und Separator-Blättern aufweist. Zumindest ein Teil der Anoden- und Kathodenblätter sind als Stromableiter ausgeführt, zur Ableitung des von der Batteriezelle bereitgestellten Stroms hin zu einem außerhalb der Batteriezelle angeordneten Verbraucher.Batteries, in particular lithium-ion batteries, are increasingly being used to drive motor vehicles. Batteries are typically assembled from battery cells, each battery cell having a stack of anode, cathode and separator sheets. At least some of the anode and cathode sheets are designed as current collectors to divert the current provided by the battery cell to a consumer arranged outside the battery cell.

Bei der Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle wird ein sogenanntes Trägermaterial, insbesondere ein bandförmiges Trägermaterial, z. B. eine Trägerfolie, beidseitig mit einem Slurry (einem Schlicker bzw. einer Suspension) über ein Auftragswerkzeug beschichtet. Der Slurry besteht aus mehreren Komponenten, u.a. einem Aktivmaterial, Leitruß, Binder, Lösungsmitteln und ggf. sonstigen Additiven. Nach der jeweils einseitig durchgeführten Beschichtung wird das beschichtete Trägermaterial jeweils einem Trocknungsprozess zugeführt, um das enthaltene Lösungsmittel zu verdampfen und die restlichen Bestandteile fest mit der Trägerfolie zu verbinden. Die Trägerfolie bildet einen Stromableiter der Batteriezelle. Für Anoden werden insbesondere Kupfer oder Kupferlegierungen als Trägermaterial eingesetzt. Für Kathoden werden insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierungen als Trägermaterial eingesetzt.In the production of a lithium-ion battery cell, what is known as a carrier material, in particular a strip-shaped carrier material, e.g. B. a carrier film, coated on both sides with a slurry (a slip or a suspension) via an application tool. The slurry consists of several components, including an active material, conductive carbon black, binder, solvents and other additives, if necessary. After the coating has been carried out on one side in each case, the coated carrier material is fed into a drying process in order to evaporate the solvent it contains and to bond the remaining components firmly to the carrier film. The carrier film forms a current collector for the battery cell. In particular, copper or copper alloys are used as carrier material for anodes. In particular, aluminum or aluminum alloys are used as the carrier material for cathodes.

Während des Trocknungsprozesses bildet sich die finale Elektrodenstruktur mit einer bestimmten Porosität und Vorzugsorientierung der entstandenen Poren aus. Die Poren dienen später als Reservoir für den Batterieelektrolyt. Es wird insbesondere versucht, eine Dichte des Beschichtungsmaterial so einzustellen, dass die Elektrode eine hohe volumetrische Energiedichte aufweist. Die Porosität der Beschichtung ermöglicht die Durchleitung von Lithiumionen durch die Beschichtung, so dass Lithiumionen möglichst gleichmäßig verteilt und damit mit hoher Anzahl in dem gesamten Beschichtungsmaterial eingelagert werden können.During the drying process, the final electrode structure is formed with a specific porosity and preferred orientation of the resulting pores. The pores later serve as a reservoir for the battery electrolyte. In particular, an attempt is made to set a density of the coating material in such a way that the electrode has a high volumetric energy density. The porosity of the coating allows lithium ions to pass through the coating, so that lithium ions can be distributed as evenly as possible and thus be embedded in large numbers throughout the coating material.

Die Porosität der Beschichtung beeinflusst die Verfügbarkeit von Elektrolyt/ Aktivmaterialpartikel-Grenzflächen, die für den Lithiumionen-Transfer zur Verfügung stehen. Die Verringerung der Elektrolyt/ Aktivmaterialpartikel-Grenzflächen stellt ein Problem für die Elektrolytbenetzung des Beschichtungsmaterials dar, so dass eine Verschlechterung der elektrochemischen Leistung der Elektrode die Folge wäre.The porosity of the coating affects the availability of electrolyte/active material particle interfaces available for lithium ion transfer. The reduction in the electrolyte/active material particle interfaces poses a problem for the electrolyte wetting of the coating material, which would result in a deterioration in the electrochemical performance of the electrode.

Gerade für den Einsatz von Lithiumionen Batterien in Schnellade-Applikationen müssen die Lithiumionen schnell in das gesamte vorhandene Beschichtungsmaterial z. B. einer Anode eindringen und dort eingelagert werden können. Um diesen Prozess zu ermöglichen, können Schichtdicken des Beschichtungsmaterials, umfassend ein Aktivmaterial einer Anode, also insbesondere Graphit oder Graphit-Silizium-Mischungen, auf dem Trägermaterial möglichst dünn ausgeführt werden. Damit jedoch in der Batteriezelle eine hohe gravimetrische und volumetrische Energiedichte erreicht werden kann, sind größere Schichtdicken des Beschichtungsmaterials notwendig, da damit das Verhältnis Aktivmaterial zu Nicht-Aktivmaterial einer Batteriezelle verbessert wird. Bei geringer Porosität des Beschichtungsmaterials kann jedoch der Transport von Lithiumionen in die gesamte Tiefe des Beschichtungsmaterials, d. h. von der Oberfläche des Beschichtungsmaterials hin zu dem Trägermaterial, nicht voll umfänglich realisiert werden. Um diesen Transport von Lithiumionen zu ermöglichen, sind Kanäle bzw. gerichtete Strukturen in dem Beschichtungsmaterial bereitzustellen.Especially for the use of lithium-ion batteries in fast-charging applications, the lithium-ions have to quickly penetrate the entire existing coating material, e.g. B. an anode and can be stored there. In order to make this process possible, layer thicknesses of the coating material, comprising an active material of an anode, ie in particular graphite or graphite-silicon mixtures, can be made as thin as possible on the carrier material. However, so that a high gravimetric and volumetric energy density can be achieved in the battery cell, greater layer thicknesses of the coating material are necessary, since this improves the ratio of active material to non-active material in a battery cell. However, if the porosity of the coating material is low, the transport of lithium ions to the entire depth of the coating material, i. H. from the surface of the coating material to the carrier material, cannot be fully realized. In order to enable this transport of lithium ions, channels or oriented structures must be provided in the coating material.

Es ist z. B. bekannt, derartige Kanäle in dem Beschichtungsmaterial im Rahmen des Kalandrierens zu erzeugen. Beim Kalandrieren wird das Beschichtungsmaterial auf eine vorbestimmte Dichte verdichtet. Die Kalanderwalzen können zur Erzeugung der Kanäle mit nadelartigen Elementen bestückt sein, die in das Beschichtungsmaterial eindringen.It is Z. B. known to produce such channels in the coating material in the context of calendering. During calendering, the coating material is compacted to a predetermined density. To produce the channels, the calender rolls can be fitted with needle-like elements which penetrate into the coating material.

Aus den US 2019/190010 A1 und US 2021/002496 A1 ist bekannt, Kanäle durch Beaufschlagen des Beschichtungsmaterial mit einem Magnetfeld zu erzeugen bzw. auszurichten. Dafür müssen jedoch entsprechende Vorrichtungen in das Verfahren zur Herstellung einer Elektrode integriert werden.From the U.S. 2019/190010 A1 and U.S. 2021/002496 A1 It is known to produce or align channels by subjecting the coating material to a magnetic field. For this purpose, however, appropriate devices must be integrated into the process for producing an electrode.

Aus der WO 2018/108455 A1 sind Elektroden bekannt, die einen Elektrolyten aufweisen. Der Elektrolyt umfasst eine Metall-organische Gerüstverbindung und einen einzelionenleitenden Polyelektrolyten. Die Gerüstverbindung dient der Bereitstellung von Porosität in der Beschichtung der Elektrode. Der Polyelektrolyt wirkt als lonenleiter für die Lithiumionen.From the WO 2018/108455 A1 electrodes are known which have an electrolyte. The electrolyte comprises a metal-organic framework and a single-ion conducting polyelectrolyte. The Framework connection serves to provide porosity in the coating of the electrode. The polyelectrolyte acts as an ion conductor for the lithium ions.

Mit der Zugabe eines porenbildenden Mittels zu einem Beschichtungsmaterial wird zumindest die Chemie und die Viskosität des Aktivmaterials beeinflusst.The addition of a pore-forming agent to a coating material affects at least the chemistry and viscosity of the active material.

Aus der DE 10 2019 210 865 B3 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Polymerschicht auf einer Komposit-Elektrodenschicht bekannt.From the DE 10 2019 210 865 B3 a method for producing a polymer layer on a composite electrode layer is known.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, durch das eine Porosität eines Aktivmaterials in vorteilhafter Weise einstellbar ist.The object of the present invention is to at least partially solve the problems cited with reference to the prior art. In particular, a method is to be proposed by which a porosity of an active material can be adjusted in an advantageous manner.

Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Elektrode mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, eine Batteriezelle mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 8 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.An electrode having the features according to patent claim 1, a battery cell having the features according to patent claim 7 and a method according to patent claim 8 contribute to the solution of these tasks. Advantageous developments are the subject matter of the dependent patent claims. The features listed individually in the patent claims can be combined with one another in a technologically meaningful manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and/or details from the figures, with further embodiment variants of the invention being shown.

Es wird eine Elektrode für eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein mit einem Beschichtungsmaterial beschichtetes Trägermaterial, das zumindest ein Aktivmaterial zur Einlagerung von Lithiumionen sowie einen Polyelektrolyt umfasst, wobei das Beschichtungsmaterial eine durch den Polyelektrolyt gebildete Gerüststruktur aufweist, durch die eine Vielzahl von Leitungspfaden für die Lithiumionen gebildet sind.An electrode for a battery cell is proposed, at least comprising a carrier material coated with a coating material, which comprises at least one active material for the incorporation of lithium ions and a polyelectrolyte, the coating material having a framework structure formed by the polyelectrolyte, through which a large number of conduction paths for the Lithium ions are formed.

Die herzustellende Elektrode ist insbesondere für den Einsatz in einer Lithium-Ionen-Batteriezelle vorgesehen. Die Elektrode umfasst insbesondere ein Trägermaterial, z. B. eine Kupfer- oder Aluminiumfolie. Das Trägermaterial ist zumindest auf einer größten Seitenfläche, ggf. auch auf den einander gegenüberliegenden größten Seitenflächen mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet.The electrode to be produced is intended in particular for use in a lithium-ion battery cell. In particular, the electrode comprises a carrier material, e.g. B. a copper or aluminum foil. The carrier material is coated with a coating material at least on one of the largest side surfaces, possibly also on the largest side surfaces lying opposite one another.

Insbesondere umfasst das Aktivmaterial bzw. die Aktivmaterialschicht zumindest eines von Leitruß (carbon black), NMC (Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan als Lithium-speicherndes Aktivmaterial z. B. der Anode), Graphit (als Lithium-speicherndes Aktivmaterial z. B. der Kathode), CNT (carbon nano tubes), SBR (Styrene-Butadien Rubber als Binder), CMC (Carboxymethyl Zellulose Polymer), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und poröses Graphit. Die Komponenten des Materials, die nicht Bindematerial sind, werden insbesondere dem Aktivmaterial zugerechnet.In particular, the active material or the active material layer comprises at least one of carbon black, NMC (lithium nickel cobalt manganese as a lithium-storing active material, e.g. the anode), graphite (as a lithium-storing active material, e.g. the cathode), CNT (carbon nano tubes), SBR (styrene butadiene rubber as binder), CMC (carboxymethyl cellulose polymer), PVDF (polyvinylidene fluoride) and porous graphite. The components of the material that are not binding material are in particular assigned to the active material.

Der Bindematerialgehalt (Feststoffanteil) des Beschichtungsmaterials, also insbesondere der Anteil des Polyelektrolyten und ggf. zusätzlich des Bindematerials, liegt insbesondere zwischen 0,5 und 5 Gew.-%.The binder material content (solids content) of the coating material, ie in particular the proportion of the polyelectrolyte and optionally also the binder material, is in particular between 0.5 and 5% by weight.

Unter einem Polyelektrolyten kann insbesondere ein Polymer verstanden werden, das aus einem Makroion, welches ketten- oder seitenständige, fest gebundene Ladungen trägt und seinen niedermolekularen Gegenionen, die die Elektroneutralität des gesamten Moleküls bewirken, besteht. Die jeweilige Ladung kann also insbesondere an einer Hauptkette (kettenständig) und/ oder einer Seitenkette (seitenständig) gebunden sein.A polyelectrolyte can be understood in particular as meaning a polymer which consists of a macroion which carries firmly bound charges on the chain or side and its low-molecular counterions which bring about the electroneutrality of the entire molecule. The respective charge can therefore be bound in particular to a main chain (on the chain) and/or a side chain (on the side).

Demgegenüber umfasst ein Polymerelektrolyt ein ungeladenes Polymer, bzw. ein Polymer, dass keine Ionen aufweist, und ein Salz, z. B. ein lithiumbasiertes Salz.In contrast, a polymer electrolyte comprises an uncharged polymer, or a polymer that has no ions, and a salt, e.g. B. a lithium-based salt.

Polyelektrolyten sind grundsätzlich bekannt. Vorliegend wird erstmals der Einsatz von Polyelektrolyten zur Einstellung einer Porosität in einem Beschichtungsmaterial vorgeschlagen.Polyelectrolytes are known in principle. The use of polyelectrolytes to adjust porosity in a coating material is proposed here for the first time.

Insbesondere umfasst das Beschichtungsmaterial insbesondere keine Metall-organische Gerüstverbindung, sondern zur Ausbildung der Gerüststruktur ausschließlich den Polyelektrolyten.In particular, the coating material does not include any metal-organic framework compound, but exclusively the polyelectrolyte to form the framework structure.

Entscheidend für die Verbesserung der Schnelladefähigkeit bei Erhaltung der Zellkapazität ist insbesondere die Schaffung von Porenvolumen bzw. Porenkanälen innerhalb eines Beschichtungsmaterials einer Elektrode, das bei Füllung mit einem Flüssigelektrolyt zu einer Verbesserung der Durchleitung von Lithiumionen führen kann. Charakteristisch für Polyelektrolyte ist insbesondere die Beeinflussbarkeit der Polymerstruktur (Nahordnung) durch die Wahl des für die Beschichtung verwendeten Lösungsmittels. So beeinflusst die Polarität des Lösungsmittels insbesondere eine Nahstrukturierung in Abhängigkeit von der Funktionalität des jeweiligen Polymers. Dadurch lassen sich z. B. in der Polymerstruktur gezielt lokale Agglomerate aufbauen. Durch diese Agglomerat-Bildung lässt sich die Porosität einer Elektrode bzw. des Beschichtungsmaterials beeinflussen. Die Vorzugsorientierung in der Lösung bleibt beim Trocknen der Beschichtung erhalten und bildet die entsprechende gerichtete Porosität aus.The creation of pore volumes or pore channels within a coating material of an electrode, which can lead to an improvement in the conduction of lithium ions when filled with a liquid electrolyte, is decisive for improving the rapid charging capability while maintaining the cell capacity. The ability to influence the polymer structure is particularly characteristic of polyelectrolytes ture (near order) by the choice of the solvent used for the coating. In particular, the polarity of the solvent influences close structuring depending on the functionality of the respective polymer. This allows z. B. build up targeted local agglomerates in the polymer structure. The porosity of an electrode or the coating material can be influenced by this agglomerate formation. The preferred orientation in the solution is retained when the coating dries and forms the corresponding directional porosity.

Die Nutzbarmachung dieser Effekte ist z. B. bekannt aus der Herstellung von Brennstoffzellen-Elektroden.The utilization of these effects is z. B. known from the production of fuel cell electrodes.

Für die Ausformung der Gerüststruktur in dem Beschichtungsmaterial kann insbesondere der pH- Wert des Beschichtungsmaterials in bestimmter Weise eingestellt sein (abhängig von dem ausgewählten Polyelektrolyt). Insbesondere ist eine pH-Wert Anpassung aber nicht notwendig innerhalb des Beschichtungsmaterials, da sich die Gerüststruktur auch durch van-der-Waals-Kräfte formen.For the formation of the framework structure in the coating material, the pH of the coating material in particular can be set in a specific way (depending on the selected polyelectrolyte). In particular, however, a pH value adjustment is not necessary within the coating material, since the framework structure is also formed by van der Waals forces.

Insbesondere kann eine gezielte Anpassung des Quellverhaltens von Silizium-haltigen Anoden bei Lade-/Entladevorgängen durch Auswahl des Polyelektrolyts und durch Einstellen der räumlichen Anordnung des Polyelektrolyten durch eine Auswahl eines geeigneten Lösungsmittels erfolgen.In particular, the swelling behavior of silicon-containing anodes during charging/discharging processes can be specifically adapted by selecting the polyelectrolyte and by adjusting the spatial arrangement of the polyelectrolyte by selecting a suitable solvent.

Das Polyelektrolyt dient insbesondere hier als Elektrodenbinder, also als Bindematerial. Eine Nebenfunktion des eingesetzten Polyelektrolyts ist die Bereitstellung weiterer Li-Ionen (bei Polyanion) und z. B. FSI-Anionen (bei Polykation), die jeweils als Gegenion vorhanden sind. Der Polyelektrolyt ist insbesondere nicht in dem Beschichtungsmaterial enthalten, um als Elektrolyt zu wirken. Für die ionische Kontaktierung wird in jedem Fall ein Flüssigelektrolyt in der Batteriezelle eingesetzt, in der die Elektrode angeordnet ist. Alternativ ist hier als Ausbaustufe eine intrinsische Lithium lonenleitung über das Polyelektrolyt ohne zusätzlichen Flüssigelektrolyt denkbar.The polyelectrolyte is used here in particular as an electrode binder, ie as a binding material. A secondary function of the polyelectrolyte used is the provision of additional lithium ions (in the case of polyanion) and e.g. B. FSI anions (in the case of polycation), each of which is present as a counterion. In particular, the polyelectrolyte is not included in the coating material in order to act as an electrolyte. In any case, a liquid electrolyte is used for the ionic contact in the battery cell in which the electrode is arranged. As an alternative, intrinsic lithium ion conduction via the polyelectrolyte without an additional liquid electrolyte is conceivable as an expansion stage.

Die durch die Beimischung des Polyelektrolyten erhaltenen Gerüststrukturen in dem Beschichtungsmaterial sind insbesondere kanalartig ausgeführt und damit besonders geeignet für einen schnellen Transport der Lithiumionen in die Tiefe des Beschichtungsmaterials durch die Möglichkeit zur gezielten Anordnung des Flüssigelektrolyten.The skeletal structures in the coating material obtained by admixing the polyelectrolyte are in particular channel-like and therefore particularly suitable for rapid transport of the lithium ions into the depth of the coating material due to the possibility of targeted arrangement of the liquid electrolyte.

Der Polyelektrolyt dient insbesondere der Erzeugung von Poren in dem Beschichtungsmaterial einer Elektrode, die in Lithiumionen-Batteriezellen eingesetzt wird. Die Poren werden insbesondere durch Schaffung einer Nahordnung durch teilweise oder vollständige Ausrichtung der funktionellen Gruppen (lonomer Side Chains) des filmbildenden Polyelektrolyten in Abhängigkeit vom Solvatationsgrad durch das eingesetzte Lösungsmittel (elektrostatische Wechselwirkung) erzeugt.The polyelectrolyte serves in particular to produce pores in the coating material of an electrode that is used in lithium-ion battery cells. The pores are produced in particular by creating a local order through partial or complete alignment of the functional groups (ionomer side chains) of the film-forming polyelectrolyte depending on the degree of solvation by the solvent used (electrostatic interaction).

Der Polyelektrolyt dient insbesondere der gezielten Ausbildung eher hydrophiler oder eher hydrophober Polymerkanäle im Inneren des Beschichtungsmaterials durch Variation des Solvatationsgrades durch das eingesetzte Lösungsmittel- bzw. Lösungsmittelgemisch.The polyelectrolyte is used in particular for the targeted formation of more hydrophilic or more hydrophobic polymer channels inside the coating material by varying the degree of solvation through the solvent or solvent mixture used.

Der Polyelektrolyt ermöglicht insbesondere die gezielte Schaffung von Kanälen in dem Beschichtungsmaterial der Elektrode durch Nutzung der unterschiedlichen Anlagerungstendenzen des Polyelektrolyten an das Aktivmaterial in Abhängigkeit vom Lösungsmittel und daraus resultierender Agglomeration der Aktivmaterialien und Steuerung derer räumlichen Ausdehnung und Dichte.The polyelectrolyte enables in particular the targeted creation of channels in the coating material of the electrode by using the different attachment tendencies of the polyelectrolyte to the active material depending on the solvent and the resulting agglomeration of the active materials and control of their spatial extent and density.

Es kann eine Steuerung der Ausbildung der Porosität anhand der elektrostatischen Wechselwirkung entsprechend der Polarität/ dielektrischen Konstante des eingesetzten Lösungsmittels und der jeweiligen funktionellen Gruppe erfolgen.The formation of the porosity can be controlled by means of the electrostatic interaction according to the polarity/dielectric constant of the solvent used and the respective functional group.

Es kann eine gezielte Steuerung der Polyelektrolytzähigkeit (Dehnbarkeit) durch Beeinflussung der Kristallinität des Polyelektrolyten durch Lösungsmittelauswahl und Art der Verarbeitungsbedingungen (Trockentemperatur / Trocknungsrate) erfolgen. Diese kann auch unter anderem zur Kompensation der Elektrodenausdehnung bei Ladezyklen genutzt werden (eine derartige Lehre ist z. B. in der DE 10 2015 118 206 A1 offenbart).The polyelectrolyte toughness (extensibility) can be controlled in a targeted manner by influencing the crystallinity of the polyelectrolyte through the choice of solvent and type of processing conditions (drying temperature/drying rate). This can also be used, among other things, to compensate for the expansion of the electrodes during charging cycles (such a teaching can be found, for example, in DE 10 2015 118 206 A1 disclosed).

Insbesondere umfasst der Polyelektrolyt ein Polymeranion mit einem Lithiumion als Gegenion.In particular, the polyelectrolyte comprises a polymer anion with a lithium ion as a counter ion.

Insbesondere ist eine (elektrische) Ladung eines Polymerstranges des Polyektrolyten in einer Seitenkette oder einer Hauptkette des Polymerstranges angeordnet.In particular, an (electrical) charge of a polymer strand of the polyelectrolyte is arranged in a side chain or a main chain of the polymer strand.

Insbesondere befinden sich an einem Polymerstrang des Polyelektrolyten positive und negative Ladungen, wobei positive und negative Gegenionen entlang des Polymerstrangs beweglich sind. Die Beweglichkeit der Gegenionen läuft dabei im wesentlichen über den Elektrolyt.In particular, there are positive and negative charges on a polymer strand of the polyelectrolyte, with positive and negative counterions being mobile along the polymer strand. The mobility of the counterions runs essentially via the electrolyte.

Insbesondere ist das Beschichtungsmaterial bindemittelfrei, wobei der Polyelektrolyt bindende Eigenschaften aufweist.In particular, the coating material is binder-free, with the polyelectrolyte having binding properties.

Insbesondere weist der Polyelektrolyt mindestens eine der folgenden Gruppen auf: eine Sulfonsäure (organische Schwefelverbindung: R-SO2-OH mit R als Rest), eine Aminogruppe (R-NH2, mit R als Rest), eine Phosphonsäuregruppe (R-PO-OH)2. Die im Folgenden dargestellten Beispiele zeigen z. B. Polyelektrolyte PAA, PSS und weitere. Anstatt des dargestellten Cl- ist das als Beispiel genannte FSI vorgesehen. Andere Anionen wie z. B. TFSI-oder BF4- sind ebenfalls denkbar.

Figure DE102021125560A1_0001
Figure DE102021125560A1_0002
In particular, the polyelectrolyte has at least one of the following groups: a sulfonic acid (organic sulfur compound: R—SO 2 —OH with R as a radical), an amino group (R—NH 2 , with R as a radical), a phosphonic acid group (R—PO— uh) 2 . The examples shown below show e.g. B. polyelectrolytes PAA, PSS and others. Instead of the Cl shown , the FSI mentioned as an example is provided. Other anions such. B. TFSI - or BF4- are also conceivable.
Figure DE102021125560A1_0001
Figure DE102021125560A1_0002

Es wird weiter eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend eine Anode und eine Kathode als Elektroden, ein zwischen der Anode und der Kathode angeordnetes Separatormaterial und einen Flüssigelektrolyten. Zumindest eine der Elektroden ist als die vorstehend beschriebene Elektrode ausgeführt oder weist ein mit einem Beschichtungsmaterial beschichtetes Trägermaterial auf, das zumindest ein Aktivmaterial zur Einlagerung von Lithiumionen sowie ein Polyelektrolyt umfasst. Das Beschichtungsmaterial weist eine durch das Polyelektrolyt gebildete Gerüststruktur auf, durch die eine Vielzahl von Leitungspfaden für die Lithiumionen gebildet sind. Der Flüssigelektrolyt ist in den Leitungspfaden angeordnet und die Leitung der Lithiumionen erfolgt über den Flüssigelektrolyten.A battery cell is also proposed, at least comprising an anode and a cathode as electrodes, a separator material arranged between the anode and the cathode, and a liquid electrolyte. At least one of the electrodes is designed as the electrode described above or has a carrier material coated with a coating material, which comprises at least one active material for the incorporation of lithium ions and a polyelectrolyte. The coating material has a framework structure formed by the polyelectrolyte, through which a multiplicity of conduction paths for the lithium ions are formed. The liquid electrolyte is arranged in the conduction paths and the lithium ions are conducted via the liquid electrolyte.

Die Batteriezelle umfasst insbesondere zusätzlich ein Gehäuse, in dem vorstehend genannte Komponenten angeordnet sind.In particular, the battery cell additionally includes a housing in which the aforementioned components are arranged.

Die Batteriezelle ist insbesondere eine Pouchzelle (mit einem verformbaren Gehäuse bestehend aus einer Pouchfolie) oder eine prismatische Zelle (mit einem formfesten Gehäuse). The battery cell is in particular a pouch cell (with a deformable housing consisting of a pouch film) or a prismatic cell (with a dimensionally stable housing).

Eine Pouchfolie ist ein bekanntes verformbares Gehäuseteil, dass als Gehäuse für sogenannte Pouchzellen eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um ein Kompositmaterial, z. B. umfassend einen Kunststoff und Aluminium.A pouch film is a well-known deformable housing part that is used as a housing for so-called pouch cells. It is a composite material, e.g. B. comprising a plastic and aluminum.

Die Batteriezelle ist insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle mit Flüssigelektrolyt. Der Flüssigelektrolyt dient hier der Leitung der Lithiumionen. Der Polyelektrolyt der mindestens einen Elektrode dient der Ausbildung einer Porosität bzw. von Kanälen innerhalb des Beschichtungsmaterials, so dass der Flüssigelektrolyt in die Poren bzw. Kanäle eindringen kann.The battery cell is in particular a lithium ion battery cell with liquid electrolyte. The liquid electrolyte is used here to conduct the lithium ions. The polyelectrolyte of the at least one electrode is used to form porosity or channels within the coating material, so that the liquid electrolyte can penetrate into the pores or channels.

Im Gegensatz zum Flüssigelektrolyt ist der Polyelektrolyt der Batteriezelle in einem festen Zustand.In contrast to the liquid electrolyte, the polyelectrolyte of the battery cell is in a solid state.

Eine Batteriezelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges (einen Traktionsantrieb) auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist.A battery cell is an electricity storage device that B. is used in a motor vehicle for storing electrical energy. In particular, z. B. a motor vehicle has an electric machine for driving the motor vehicle (a traction drive), wherein the electric machine can be driven by the electrical energy stored in the battery cell.

Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einer Batteriezelle, insbesondere der beschriebenen Batteriezelle vorgeschlagen, wobei die Elektrode zumindest ein mit einem Beschichtungsmaterial beschichtetes Trägermaterial umfasst. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

  1. a) Bereitstellen des Trägermaterials;
  2. b) Bereitstellen des Beschichtungsmaterials, dass zumindest ein Aktivmaterial zur Einlagerung von Lithiumionen sowie ein Polyelektrolyt umfasst;
  3. c) Auftragen des Beschichtungsmaterials auf das Trägermaterial;
  4. d) Trocknen des beschichteten Trägermaterials zur Bildung der Elektrode.
A method for producing an electrode of a battery cell, in particular the battery cell described, is also proposed, the electrode comprising at least one carrier material coated with a coating material. The procedure comprises at least the following steps:
  1. a) providing the carrier material;
  2. b) providing the coating material that comprises at least one active material for the storage of lithium ions and a polyelectrolyte;
  3. c) applying the coating material to the carrier material;
  4. d) drying the coated substrate to form the electrode.

Das Beschichtungsmaterial weist eine durch das Polyelektrolyt gebildete Gerüststruktur auf, durch die eine Vielzahl von Leitungspfaden für die Lithiumionen gebildet sind.The coating material has a framework structure formed by the polyelectrolyte, through which a multiplicity of conduction paths for the lithium ions are formed.

Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in a) bis d) soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Auch die Häufigkeit der Verfahrensschritte kann variieren. Ebenso ist möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern. Bevorzugt werden die Schritte a) und b) vor den Schritten c) und d) durchgeführt. Bevorzugt wird Schritt d) nach Schritt c) durchgeführt. Insbesondere werden die Schritte a) bis d) in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt. The above (non-exhaustive) division of the method steps into a) to d) is primarily intended to serve only as a distinction and does not impose any order and/or dependency. The frequency of the process steps can also vary. It is also possible for method steps to at least partially overlap one another in terms of time. Steps a) and b) are preferably carried out before steps c) and d). Step d) is preferably carried out after step c). In particular, steps a) to d) are carried out in the order given.

Gemäß Schritt a) erfolgt insbesondere ein Bereitstellen des Trägermaterials einer Elektrode. Das Trägermaterial wird insbesondere als bandförmiges Endlosmaterial bereitgestellt. Das bandförmige Endlosmaterial wird insbesondere entlang einer Förderrichtung gefördert, zumindest während der Schritte b) und c), ggf. zusätzlich während Schritt d).According to step a), in particular, the carrier material of an electrode is provided. The carrier material is provided in particular as a continuous material in the form of a strip. The endless material in strip form is conveyed in particular along a conveying direction, at least during steps b) and c), possibly additionally during step d).

Insbesondere wird das Beschichtungsmaterial zumindest aus den genannten Komponenten Aktivmaterial und Polyelektrolyt hergestellt.In particular, the coating material is produced at least from the active material and polyelectrolyte components mentioned.

Das Auftragen des Beschichtungsmaterials erfolgt insbesondere in einem kontinuierlichen Verfahren, bei dem das Trägermaterial als bandförmiges Endlosmaterial durch eine Beschichtungseinrichtung durchgefördert wird.The application of the coating material takes place in particular in a continuous process in which the carrier material is conveyed through a coating device as a continuous material in the form of a strip.

Das Trocknen erfolgt insbesondere an dem beschichteten Endlosmaterial oder bereits an vereinzelten beschichteten Trägermaterialien.The drying takes place in particular on the coated endless material or on individually coated carrier materials.

Insbesondere umfasst das Beschichtungsmaterial in Schritt b) zumindest zusätzlich ein Lösungsmittel, durch das in der Polymerstruktur des Polyelektrolyten gezielt Agglomerate erzeugt werden, die ihrerseits eine Porosität des nach Schritt d) vorliegenden Beschichtungsmaterials beeinflussen. Das Lösungsmittel wird insbesondere durch Schritt d), bevorzugt vollständig, aus dem Beschichtungsmaterial entfernt.In particular, the coating material in step b) additionally comprises at least one solvent, by means of which agglomerates are produced in a targeted manner in the polymer structure of the polyelectrolyte, which in turn influence a porosity of the coating material present after step d). The solvent is removed from the coating material in particular by step d), preferably completely.

Das Lösungsmittel kann insbesondere besondere Eigenschaften hinsichtlich Viskosität, Dielektrizitätskonstante und Oberflächenspannung aufweisen und davon abhängig gezielt ausgewählt werden. Abhängig vom ausgewählten bzw. eingesetzten Lösungsmittel erfolgt insbesondere eine spezifische Anlagerung des Polyelektrolyten an die Aktivmaterialien und dadurch eine gezielt steuerbare Aggregation des Polyelektrolyten. Damit kann eine unterschiedliche Morphologie des Polyelektrolyten eingestellt werden. Diese Eigenschaften sind z. B. in M. Dixit, Journal of the Electrochemical Society, 165 (5) F264-F271 (2018) erläutert.In particular, the solvent can have special properties with regard to viscosity, dielectric constant and surface tension and can be specifically selected as a function thereof. Depending on the solvent selected or used, there is in particular a specific addition of the polyelectrolyte to the active materials and thus a specifically controllable aggregation of the polyelectrolyte. A different morphology of the polyelectrolyte can thus be set. These properties are e.g. B. in M. Dixit, Journal of the Electrochemical Society, 165 (5) F264-F271 (2018).

Diese Wechselwirkung zwischen Lösungsmittel und Polyelektrolyten ist auch in P. Müller, Untersuchung zur Wechselwirkung von Mikropartikelsystemen mit Faserstoffsuspensionen, 2001, TU Darmstadt, erläutert.This interaction between solvent and polyelectrolytes is also explained in P. Müller, Investigation into the interaction of microparticle systems with fiber suspensions, 2001, TU Darmstadt.

Aus T. Ngo, Journal of Power Sources225 (2013); 293-303 und auch J. Huang, The blessing and course of ionomer, Front. Engergy 2017, 11(3); 334-364, ist z. B. bekannt, dass sich die funktionellen Gruppen des Binders (des Polyelektrolyten) in Abhängigkeit von der Hydrophilie des Lösungsmittels hin zu den Aktivmaterialien orientieren oder weg davon. Dieser Effekt lässt sich zur gezielten Einstellung einer Nahordnung des Polymers nutzen.From T. Ngo, Journal of Power Sources225 (2013); 293-303 and also J. Huang, The blessing and course of ionomer, Front. Energy 2017, 11(3); 334-364, e.g. It is known, for example, that the functional groups of the binder (of the polyelectrolyte) are oriented towards or away from the active materials, depending on the hydrophilicity of the solvent. This effect can be used for the targeted adjustment of a short-range order of the polymer.

Insbesondere wird in Schritt b) ein pH-Wert des Beschichtungsmaterials in Abhängigkeit von dem verwendeten Polyelektrolyten eingestellt.In step b), in particular, a pH value of the coating material is adjusted as a function of the polyelectrolyte used.

Insbesondere wird der pH-Wert durch ein Lösungsmittel eingestellt, dass zumindest in Schritt b) im Beschichtungsmaterial enthalten ist.In particular, the pH is adjusted by a solvent that is contained in the coating material at least in step b).

Insbesondere wird vorgeschlagen, zur Herstellung einer Elektrode, die besonders für ein Schnellladen geeignet ist und eine hohe Energiedichte aufweist, dem Beschichtungsmaterial, in Schritt b) des Verfahrens z. B. noch als Slurry oder Schlicker bezeichnet, ein Polyelektrolyt hinzuzugeben. Der Polyelektrolyt ist insbesondere ein Polyanion mit einem Lithiumion als Gegenion.In particular, it is proposed to produce an electrode that is particularly suitable for rapid charging and has a high energy density, the coating material in step b) of the method z. B. still referred to as slurry or slip to add a polyelectrolyte. The polyelectrolyte is in particular a polyanion with a lithium ion as counterion.

Die Ladung des Polymerstranges kann dabei in der Seitenkette oder in der Hauptkette des Polymers angeordnet sein. Der Polyelektrolyt kann insbesondere als ein sogenanntes Zwitterion ausgeführt sein, d. h. positive und negative Ladungen befinden sich an der Polymerkette und positive als auch negative Gegenionen sind beweglich entlang der Polymerkette angeordnet, bzw. Wandern über den Flüssigelektrolyt.The charge of the polymer strand can be located in the side chain or in the main chain of the polymer. The polyelectrolyte can in particular be designed as a so-called zwitterion, i. H. Positive and negative charges are located on the polymer chain and positive as well as negative counterions are movably arranged along the polymer chain or migrate across the liquid electrolyte.

Das Beschichtungsmaterial wird insbesondere auf das Trägermaterial aufgebracht und das so gebildete beschichtete Trägermaterial im Rahmen des Schrittes d) in einer Trocknereinrichtung, z. B. einem Trockenofen getrocknet. Insbesondere bildet sich durch die Polyelektrolyte bei der Trocknung eine Gerüststruktur, ein sogenanntes Scaffold, aus, das insbesondere nach dem Entfernen des Lösungsmittels bestehen bleibt. Diese Gerüststruktur bildet die Leitungspfade (wie beispielsweise Strömungswege, Eindringkanäle, etc.) für die Lithiumionen bis in die Tiefe des Beschichtungsmaterials, d. h. bis zum Trägermaterial, aus.The coating material is applied in particular to the carrier material and the coated carrier material formed in this way is dried in step d) in a drying device, e.g. B. dried in a drying oven. In particular, as a result of the polyelectrolytes during drying, a framework structure, a so-called scaffold, is formed, which remains in particular after the solvent has been removed. This framework structure forms the conduction paths (such as flow paths, penetration channels, etc.) for the lithium ions deep into the coating material, i. H. up to the carrier material.

Insbesondere kann auf ein zusätzliches Bindemittel in Schritt b) verzichtet werden. Bevorzugt verfügt der Polyelektrolyt über bindende Eigenschaften. Ähnliche Bindematerialien sind aus Polyelektrolyt (PEM) -Brennstoffzellenanwendungen bekannt. Dort wird in den Elektroden ein Polyelektrolyt verwendet, in der Regel polymere Perfluorsulfonsäure, die sowohl die aktiven Partikel (Kohlenstoff geträgertes Platin) zusammenhält, als auch den Ladungstransport (Protonen) in der Elektrode übernimmt.In particular, an additional binder can be dispensed with in step b). The polyelectrolyte preferably has binding properties. Similar binding materials are known from polyelectrolyte (PEM) fuel cell applications. There, a polyelectrolyte is used in the electrodes, usually polymeric perfluorosulfonic acid, which holds both the active particles (carbon-supported platinum) together and takes over the charge transport (protons) in the electrode.

Insbesondere wird der Polyelektrolyt im Hinblick auf geeignete funktionelle Gruppen ausgewählt. Derartige geeignete Gruppen umfassen z. B. eine Schwefel-, Stickstoff-, oder Phosphor-haltige Säuregruppe, z. B. Sulfonsäure, eine Phosphonsäuregruppe und/ oder eine Basengruppe, z. B. eine Aminogruppe. Diese Gruppen ermöglichen insbesondere eine Anlagerung und Übertragung von Lithiumionen.In particular, the polyelectrolyte is selected with regard to suitable functional groups. Such suitable groups include e.g. B. a sulfur, nitrogen, or phosphorus-containing acid group, z. B. sulfonic acid, a phosphonic acid group and / or a base group, z. B. an amino group. In particular, these groups enable attachment and transfer of lithium ions.

In der Brennstoffzellenanwendung sind entsprechende polymere Binder, z. B. unter dem Handelsnahmen Nafion (auch als 2-[1-[Difluor[(trifluorethenyl)oxy]methyl]-1,2,2,2-tetrafluorethoxy]-1,1,2,2-tetrafluorethansulfonsäure bezeichnet), bekannt. Vergleichbare Materialien werden auch großtechnisch für Elektrolyseanwendungen, z. B. in der Chlor-Alklali-Elektrolyse eingesetzt. Der Einsatz entsprechender Materialien als Porosität bildende und damit Lithiumionen leitende Komponente in Lithiumionen-Batteriezellen ist bisher nicht bekannt. Die Strukturformel von Nafion lautet wie folgt, wobei das Proton H+ durch ein Li+-Ion ersetzt ist:

Figure DE102021125560A1_0003
In the fuel cell application, corresponding polymeric binders, e.g. B. under the trade name Nafion (also referred to as 2-[1-[difluoro[(trifluoroethenyl)oxy]methyl]-1,2,2,2-tetrafluoroethoxy]-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonic acid). Comparable materials are also used industrially for electrolysis applications, e.g. B. used in chlor-alkalium electrolysis. The use of corresponding materials as porosity-forming and thus lithium-ion-conducting components in lithium-ion battery cells has not been known to date. The structural formula of Nafion is as follows, with the proton H + replaced by a Li + ion:
Figure DE102021125560A1_0003

Insbesondere kann der Polyelektrolyt auch zur Leitung der Lithiumionen eingesetzt werden. Insbesondere kann je nach Stärke der Lithiumionenleitung des Polyelektrolyten zusätzlich Flüssigelektrolyte eingesetzt werden, die sich in der durch den Polyelektrolyten geschaffenen Gerüststruktur bzw. den Poren befinden und zusätzlich zur intrinsischen Leitung des Polyelektrolyten Lithiumionen transportieren.In particular, the polyelectrolyte can also be used to conduct the lithium ions. In particular, depending on the strength of the lithium ion conduction of the polyelectrolyte, liquid electrolytes can also be used, which are located in the framework structure or the pores created by the polyelectrolyte and transport lithium ions in addition to the intrinsic conduction of the polyelectrolyte.

Insbesondere ist hier keine Anpassung der bisherigen Verfahren zur Herstellung von Elektroden notwendig, da nur das Beschichtungsmaterial verändert wird. Insbesondere wird ausschließlich die Zahl der Prozessschritte wegen des Mischens des Beschichtungsmaterials mit den Polyelektrolyten erhöht. Das Beschichten und Trocknen kann insbesondere unverändert durchgeführt werden.In particular, no adaptation of the previous methods for producing electrodes is necessary here, since only the coating material is changed. In particular, only the number of process steps is increased because of the mixing of the coating material with the polyelectrolytes. In particular, the coating and drying can be carried out as they are.

Die sonst bekannte Einbringung von Porenbildnern beinhaltet prinzipiell die Gefahr, dass Rückstände der Materialien in der Elektrode bleiben, bzw. dass es zu unerwünschten Nebenwirkungen mit den Aktivmaterialien einer Batteriezelle kommt.The otherwise well-known introduction of pore-forming agents involves the risk that residues of the materials remain in the electrode, or that there are undesirable side effects with the active materials of a battery cell.

Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend einen Traktionsantrieb und eine Batterie mit mindestens einer beschriebenen Batteriezelle, wobei der Traktionsantrieb durch die mindestens eine Batteriezelle mit Energie versorgbar ist.A motor vehicle is also proposed, at least comprising a traction drive and a battery with at least one described battery cell, wherein the traction drive can be supplied with energy by the at least one battery cell.

Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.The use of indefinite articles (“a”, “an”, “an” and “an”), particularly in the claims and the description reflecting them, is to be understood as such and not as a numeral. Correspondingly introduced terms or components are to be understood in such a way that they are present at least once and in particular can also be present several times.

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. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.As a precaution, it should be noted that the numerals used here (“first”, “second”, ...) primarily (only) serve to distinguish between several similar objects, sizes or processes, i.e. in particular no dependency and/or sequence of these objects, sizes or make processes mandatory for each other. Should a dependency and/or order be necessary, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described embodiment. If a component can occur several times (“at least one”), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory.

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: eine Elektrode in einer Seitenansicht im Schnitt; und
  • 2: eine Batteriezelle in einer Seitenansicht im Schnitt.
The invention and the technical environment are explained in more detail below with reference to the accompanying figures. It should be pointed out that the invention should not be limited by the exemplary embodiments given. In particular, unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and to combine them with other components and findings from the present description. In particular, it should be pointed out that the figures and in particular the proportions shown are only schematic. Show it:
  • 1 : an electrode in a sectional side view; and
  • 2 : a battery cell in a side view in section.

Die 1 zeigt eine Elektrode 1 in einer Seitenansicht und teilweise im Schnitt. 2 zeigt eine Batteriezelle 2 in einer Seitenansicht im Schnitt. Die 1 und 2 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.The 1 shows an electrode 1 in a side view and partially in section. 2 shows a battery cell 2 in a side view in section. The 1 and 2 are described together below.

Die Batteriezelle 2 umfasst ein Gehäuse 13, in dem zumindest eine Anode 9 und eine Kathode 10 als Elektroden 1, ein zwischen der Anode 9 und der Kathode 10 angeordnetes Separatormaterial 11 und ein Flüssigelektrolyt 12 angeordnet sind.The battery cell 2 comprises a housing 13 in which at least one anode 9 and one cathode 10 are arranged as electrodes 1, a separator material 11 arranged between the anode 9 and the cathode 10, and a liquid electrolyte 12.

Die Elektrode 1 weist ein mit einem Beschichtungsmaterial 3 beschichtetes Trägermaterial 4 auf, das ein Aktivmaterial 5 zur Einlagerung von Lithiumionen sowie ein Polyelektrolyt 6 umfasst. Das Beschichtungsmaterial 3 weist eine durch das Polyelektrolyt 6 gebildete Gerüststruktur 7 auf, durch die eine Vielzahl von Leitungspfaden 8 für die Lithiumionen gebildet sind. Der Flüssigelektrolyt 12 ist in den Leitungspfaden 8 angeordnet und die Leitung der Lithiumionen erfolgt über den Flüssigelektrolyten 12.The electrode 1 has a carrier material 4 coated with a coating material 3 , which includes an active material 5 for the incorporation of lithium ions and a polyelectrolyte 6 . The coating material 3 has a framework structure 7 formed by the polyelectrolyte 6, through which a multiplicity of conduction paths 8 for the lithium ions are formed. The liquid electrolyte 12 is arranged in the conduction paths 8 and the lithium ions are conducted via the liquid electrolyte 12.

Der Polyelektrolyt 6 ist nicht in dem Beschichtungsmaterial 3 enthalten, um als Elektrolyt zu wirken. Für die ionische Kontaktierung wird in jedem Fall ein Flüssigelektrolyt 12 in der Batteriezelle 2 eingesetzt, in der die Elektrode 1 angeordnet ist.The polyelectrolyte 6 is not included in the coating material 3 to function as an electrolyte. In any case, for the ionic contacting, a liquid electrolyte 12 is used in the battery cell 2 in which the electrode 1 is arranged.

Die durch die Beimischung des Polyelektrolyten 6 erhaltenen Gerüststrukturen 7 in dem Beschichtungsmaterial 3 sind kanalartig ausgeführt und damit besonders geeignet für einen schnellen Transport der Lithiumionen in die Tiefe des Beschichtungsmaterials 3 durch die Möglichkeit zur Anordnung des Flüssigelektrolyten 12 in den Kanälen.The framework structures 7 obtained by adding the polyelectrolyte 6 in the coating material 3 are designed like channels and are therefore particularly suitable for rapid transport of the lithium ions deep into the coating material 3 due to the possibility of arranging the liquid electrolyte 12 in the channels.

Der Polyelektrolyt 6 dient also der Erzeugung von Poren bzw. Leitungspfaden 8 in dem Beschichtungsmaterial 3. Die Poren werden insbesondere durch Schaffung einer Nahordnung durch teilweise oder vollständige Ausrichtung der funktionellen Gruppen und Anordnung der Polymergruppen des filmbildenden Polyelektrolyten 6 in Abhängigkeit vom Solvatationsgrad durch das eingesetzte Lösungsmittel (elektrostatische Wechselwirkung) erzeugt.The polyelectrolyte 6 thus serves to generate pores or conduction paths 8 in the coating material 3. The pores are created in particular by creating a local order through partial or complete alignment of the functional groups and arrangement of the polymer groups of the film-forming polyelectrolyte 6 depending on the degree of solvation by the solvent used (electrostatic interaction) generated.

Der Polyelektrolyt 6 dient insbesondere der gezielten Ausbildung eher hydrophiler oder eher hydrophober Polymerkanäle, also Leitungspfade 8, im Inneren des Beschichtungsmaterials 3 durch Variation des Solvatationsgrades durch das eingesetzte Lösungsmittel- bzw. Lösungsmittelgemisch.The polyelectrolyte 6 is used in particular for the targeted formation of more hydrophilic or more hydrophobic polymer channels, ie conduction paths 8, inside the coating material 3 by varying the degree of solvation through the solvent or solvent mixture used.

Der Polyelektrolyt 6 ermöglicht also insbesondere die gezielte Schaffung von Kanälen/ Leitungspfaden 8 in dem Beschichtungsmaterial 3 der Elektrode 1 durch Nutzung der unterschiedlichen Anlagerungstendenzen des Polyelektrolyten 6 an das Aktivmaterial 5 in Abhängigkeit vom Lösungsmittel und daraus resultierender Agglomeration der Aktivmaterialien 5 und Steuerung derer räumlichen Ausdehnung und Dichte. Zusätzlich kann der Polyelektrolyt intrinsische Leitfähigkeit übernehmen.The polyelectrolyte 6 thus enables in particular the targeted creation of channels/conduction paths 8 in the coating material 3 of the electrode 1 by using the different attachment tendencies of the polyelectrolyte 6 to the active material 5 depending on the solvent and the resulting agglomeration of the active materials 5 and control of their spatial expansion and Density. In addition, the polyelectrolyte can assume intrinsic conductivity.

BezugszeichenlisteReference List

11
Elektrodeelectrode
22
Batteriezellebattery cell
33
Beschichtungsmaterialcoating material
44
Trägermaterialcarrier material
55
Aktivmaterialactive material
66
Polyelektrolytpolyelectrolyte
77
Gerüststrukturscaffold structure
88th
Leitungspfadconduction path
99
Anodeanode
1010
Kathodecathode
1111
Separatormaterialseparator material
1212
Flüssigelektrolytliquid electrolyte
1313
GehäuseHousing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims (11)

Elektrode (1) für eine Batteriezelle (2), zumindest umfassend ein mit einem Beschichtungsmaterial (3) beschichtetes Trägermaterial (4), das zumindest ein Aktivmaterial (5) zur Einlagerung von Lithiumionen sowie ein Polyelektrolyt (6) umfasst, wobei das Beschichtungsmaterial (3) eine durch den Polyelektrolyt (6) gebildete Gerüststruktur (7) aufweist, durch die eine Vielzahl von Leitungspfaden (8) für die Lithiumionen gebildet sind.Electrode (1) for a battery cell (2), at least comprising a carrier material (4) coated with a coating material (3), which comprises at least one active material (5) for the incorporation of lithium ions and a polyelectrolyte (6), the coating material (3 ) has a framework structure (7) formed by the polyelectrolyte (6), through which a multiplicity of conduction paths (8) for the lithium ions are formed. Elektrode (1) nach Patentanspruch 1, wobei eine Ladung eines Polymerstranges des Polyelektrolyten (6) in einer Seitenkette oder einer Hauptkette des Polymerstranges angeordnet ist.electrode (1) after Claim 1 , wherein a charge of a polymer strand of the polyelectrolyte (6) is arranged in a side chain or a main chain of the polymer strand. Elektrode (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Polyelektrolyt (6) ein Polymeranion mit einem Lithiumion als Gegenion umfasst.Electrode (1) according to one of the preceding claims, wherein the polyelectrolyte (6) comprises a polymer anion with a lithium ion as a counter ion. Elektrode (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei an einem Polymerstrang des Polyelektrolyten (6) sich positive und negative Ladungen befinden, wobei positive und negative Gegenionen entlang des Polymerstrangs beweglich sind.Electrode (1) according to one of the preceding claims, positive and negative charges being located on a polymer strand of the polyelectrolyte (6), positive and negative counterions being mobile along the polymer strand. Elektrode (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Beschichtungsmaterial (3) bindemittelfrei ist, wobei das Polyelektrolyt (6) bindende Eigenschaften aufweist.Electrode (1) according to one of the preceding claims, wherein the coating material (3) is free of binding agent, the polyelectrolyte (6) having binding properties. Elektrode (1) nach Patentanspruch 5, wobei der Polyelektrolyt (6) mindestens eine der folgenden Gruppen aufweist: eine Schwefel-, Stickstoff-, Phosphor-haltige Säuregruppe und / oder eine Basengruppe.electrode (1) after Claim 5 , wherein the polyelectrolyte (6) has at least one of the following groups: an acid group containing sulphur, nitrogen or phosphorus and/or a base group. Batteriezelle (2), zumindest umfassend eine Anode (9) und eine Kathode (10) als Elektroden (1), ein zwischen der Anode (9) und der Kathode (10) angeordnetes Separatormaterial (11) und einen Flüssigelektrolyten (12); wobei zumindest eine der Elektroden (1) ein mit einem Beschichtungsmaterial (3) beschichtetes Trägermaterial (4) aufweist, das zumindest ein Aktivmaterial (5) zur Einlagerung von Lithiumionen sowie ein Polyelektrolyt (6) umfasst, wobei das Beschichtungsmaterial (3) eine durch das Polyelektrolyt (6) gebildete Gerüststruktur (7) aufweist, durch die eine Vielzahl von Leitungspfaden (8) für die Lithiumionen gebildet sind; wobei der Flüssigelektrolyt (12) in den Leitungspfaden (8) angeordnet ist und die Leitung der Lithiumionen über den Flüssigelektrolyten (12) erfolgt.Battery cell (2), at least comprising an anode (9) and a cathode (10) as electrodes (1), a separator material (11) arranged between the anode (9) and the cathode (10) and a liquid electrolyte (12); wherein at least one of the electrodes (1) has a carrier material (4) coated with a coating material (3), which comprises at least one active material (5) for the incorporation of lithium ions and a polyelectrolyte (6), wherein the coating material (3) has a Polyelectrolyte (6) formed framework structure (7), through which a plurality of conduction paths (8) for the lithium ions are formed; wherein the liquid electrolyte (12) is arranged in the conduction paths (8) and the conduction of the lithium ions takes place via the liquid electrolyte (12). Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (1) einer Batteriezelle (2), wobei die Elektrode (1) zumindest ein mit einem Beschichtungsmaterial (3) beschichtetes Trägermaterial (4) umfasst; wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen des Trägermaterials (4); b) Bereitstellen des Beschichtungsmaterials (3), dass zumindest ein Aktivmaterial (5) zur Einlagerung von Lithiumionen sowie ein Polyelektrolyt (6) umfasst; c) Auftragen des Beschichtungsmaterials (3) auf das Trägermaterial (4); d) Trocknen des beschichteten Trägermaterials (4) zur Bildung der Elektrode (1); wobei das Beschichtungsmaterial (3) eine durch das Polyelektrolyt (6) gebildete Gerüststruktur (7) aufweist, durch die eine Vielzahl von Leitungspfaden (8) für die Lithiumionen gebildet sind.Method for producing an electrode (1) of a battery cell (2), the electrode (1) comprising at least one carrier material (4) coated with a coating material (3); the method comprising at least the following steps: a) providing the carrier material (4); b) providing the coating material (3) that comprises at least one active material (5) for storing lithium ions and a polyelectrolyte (6); c) applying the coating material (3) to the carrier material (4); d) drying the coated carrier material (4) to form the electrode (1); wherein the coating material (3) has a framework structure (7) formed by the polyelectrolyte (6), through which a multiplicity of conduction paths (8) for the lithium ions are formed. Verfahren nach Patentanspruch 8, wobei das Beschichtungsmaterial (3) in Schritt b) zumindest zusätzlich ein Lösungsmittel umfasst, durch das in der Polymerstruktur des Polyelektrolyten (6) gezielt Agglomerate erzeugt werden, die ihrerseits nach Trocknen des Beschichtungsmaterials (3) eine Porosität des nach Schritt d) vorliegenden Beschichtungsmaterials (3) beeinflussen.procedure after patent claim 8 , wherein the coating material (3) in step b) additionally comprises at least one solvent, through which agglomerates are produced in a targeted manner in the polymer structure of the polyelectrolyte (6), which in turn, after the coating material (3) has dried, increases the porosity of the coating material present after step d). (3) influence. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 8 und 9, wobei in Schritt b) ein pH-Wert des Beschichtungsmaterials (3) in Abhängigkeit von dem verwendeten Polyelektrolyten (6) eingestellt wird.Method according to any of the preceding patent claims 8 and 9 , wherein in step b) a pH of the coating material (3) depending on the polyelectrolyte (6) used is adjusted. Verfahren nach Patentanspruch 10, wobei der pH-Wert durch ein Lösungsmittel eingestellt wird, dass zumindest in Schritt b) im Beschichtungsmaterial (3) enthalten ist.procedure after Claim 10 , wherein the pH is adjusted by a solvent that is contained in the coating material (3) at least in step b).
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