DE102016215666A1

DE102016215666A1 - Electrode arrangement for lithium-based galvanic cells and method for their production

Info

Publication number: DE102016215666A1
Application number: DE102016215666.7A
Authority: DE
Inventors: Christoph Bauer; Simon Lux; Hideki Ogihara
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2018-02-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für lithium-basierte galvanische Zellen sowie ein Herstellungsverfahren dazu. Die Elektrodenanordnung weist eine freistehende Elektrode, die ein Elektrodenaktivmaterial enthält, und eine Ausgleichsschicht auf. Die Ausgleichsschicht enthält metallisches Lithium und steht mit der Elektrode an einer ersten Grenzfläche zwischen der Elektrode und der Ausgleichsschicht unmittelbar in Kontakt, sodass metallisches Lithium aus der Ausgleichsschicht durch die erste Grenzfläche in die Elektrode eindringen, insbesondere diffundieren, kann. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine galvanische Zelle sowie eine aus mehreren solcher galvanischen Zellen aufgebaute Batterie, die jeweils eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung enthalten. Mithilfe der Erfindung lässt sich insbesondere eine Erhöhung der Energiedichte von Lithium-basierten galvanischen Zellen erreichen.The invention relates to an electrode arrangement for lithium-based galvanic cells and a production method thereof. The electrode assembly comprises a freestanding electrode containing an electrode active material and a leveling layer. The compensation layer contains metallic lithium and is in direct contact with the electrode at a first interface between the electrode and the compensation layer so that metallic lithium from the compensation layer can penetrate, in particular diffuse, through the first interface. Furthermore, the invention relates to a galvanic cell and a battery constructed from a plurality of such galvanic cells, each of which contains an electrode arrangement according to the invention. In particular, an increase in the energy density of lithium-based galvanic cells can be achieved with the aid of the invention.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für eine oder mehrere lithium-basierte galvanische Zellen, insbesondere für Lithium-Ionen-Zellen, eine galvanische Zelle mit einer solchen Elektrodenanordnung, eine Batterie mit einer Mehrzahl solcher Zellen und ein Verfahren zur Herstellung solcher Elektrodenanordnungen. The present invention relates to an electrode arrangement for one or more lithium-based galvanic cells, in particular for lithium-ion cells, a galvanic cell having such an electrode arrangement, a battery having a plurality of such cells and a method for producing such electrode arrangements.

Lithium-basierte galvanische Zellen und vor allem daraus aufgebaute Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren, werden in einer Vielzahl von elektrischen Geräten als elektrische Energiespeicher und -lieferanten verwendet. Zu den bekanntesten Anwendungen gehören dabei Lithium-Ionen-Akkumulatoren für Elektro- oder Hybrid-Fahrzeuge und für sogenannte Consumer-Produkte. Zu Letzteren gehören insbesondere mobile Endgeräte, wie etwa Notebook-Computer, Tablet-Computer, Mobiltelefone oder Kameras. Eine herkömmliche lithium-basierte Batterie, insbesondere für Elektro- oder Hybrid-Fahrzeuge, weist eine Mehrzahl von übereinandergestapelten einzelnen galvanischen Zellen auf, die jeweils eine durch eine Separatorschicht voneinander getrennte negative und positive Elektrodenschicht aufweisen. Die Zellen sind in der Regel parallel oder seriell miteinander verschaltet, um die für die Batterie erforderliche Gesamtspannung bzw. Stromlieferfähigkeit zu erreichen. Dabei kann der Zellstapel insbesondere entlang einer einzigen Stapelrichtung ausgerichtet sein, oder in Form eines sogenannten Elektrodenwinkels aufgewickelt sein. Dementsprechend sind prismatische oder zylindrische Batteriegehäuseformen häufig vorzufinden, die den Zellstapel umschließen und auch mit mechanischer Festigkeit versehen. Lithium-based galvanic cells and, above all, batteries constructed therefrom, in particular lithium-ion accumulators, are used in a large number of electrical appliances as electrical energy stores and suppliers. The best-known applications include lithium-ion batteries for electric or hybrid vehicles and for so-called consumer products. The latter include in particular mobile terminals, such as notebook computers, tablet computers, mobile phones or cameras. A conventional lithium-based battery, especially for electric or hybrid vehicles, has a plurality of stacked individual galvanic cells each having a negative and positive electrode layer separated by a separator layer. The cells are usually connected in parallel or in series with one another in order to achieve the total voltage or current supply capability required for the battery. In this case, the cell stack can in particular be aligned along a single stacking direction, or wound up in the form of a so-called electrode angle. Accordingly, prismatic or cylindrical battery housing shapes are often found which enclose the cell stack and also provide mechanical strength.

Die einzelnen Elektroden des Zellstapels bestehen dabei üblicherweise aus einem dünnen schichtartigen und mechanisch belastbaren Trägersubstrat, das insbesondere zugleich elektrisch leitend sein kann und somit als Stromableiter der Elektrode dienen kann, sowie einer Materialschicht, die neben dem Aktivmaterial auch Additive und einen Binder enthält, und auf das Trägersubstrat als weitere Schicht aufgebracht ist. Inzwischen sind jedoch auch sogenannte "freistehende Elektroden" bzw. "FSE" bekannt, wobei es sich um Elektroden handelt, bei denen das Trägersubstrat entfällt, da das Aktivmaterial selbst die notwendige mechanische Festigkeit aufweist, um den bei der Herstellung und im Betrieb der galvanischen Zellen im Rahmen ihrer Auslegung bzw. Spezifikationen typischerweise auftretenden mechanischen Belastungen erfolgreich widerstehen zu können. Produkte und Technologien, die derartige freistehende Elektroden verwenden, werden derzeit beispielsweise von den Firmen „24M" und "Maxwell Technologies" entwickelt und teilweise angeboten. Freistehenden Elektroden für lithium-basierte galvanische Zellen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind insbesondere in US 2015303481 A1 beschrieben. The individual electrodes of the cell stack usually consist of a thin layered and mechanically loadable carrier substrate, which can be both electrically conductive at the same time and thus can serve as a current conductor of the electrode, as well as a material layer, which also contains additives and a binder in addition to the active material, and on the carrier substrate is applied as a further layer. Meanwhile, however, so-called "free-standing electrodes" or "FSE" are known, which are electrodes, in which the carrier substrate is omitted, since the active material itself has the necessary mechanical strength to that in the manufacture and operation of the galvanic cells be able to successfully withstand typically occurring mechanical stresses within their design or specifications. Products and technologies using such free-standing electrodes are currently being developed and partly offered by, for example, the companies "24M" and "Maxwell Technologies." Free-standing electrodes for lithium-based galvanic cells and methods for their production are in particular US 2015303481 A1 described.

Allen diesen Elektrodenformen ist es gemein, dass während der ersten Lade-/Entladezyklen der Zellen ("Formierung") irreversible Prozesse auftreten, bei denen Lithium aus dem Aktivmaterial der Elektroden entzogen und in eine sich ausbildende, als feste Elektrolyt-Interphase ("Solid Electrolyte Interphase", SEI) bezeichneten dünnen Schicht zwischen der negativen Elektrode und dem Separator eingebaut wird und somit den galvanischen Prozessen der Zelle entzogen ist und deren Energiedichte entsprechend absenkt. Als Gegenmaßnahme dazu ist es bekannt, im Rahmen einer sogenannten "Prä-Lithiierung" (engl. "Pre-lithiation") zusätzlichen Lithium-Überschuss in der Zelle vorzusehen, indem, z. B. dem Aktivmaterial zusätzliches metallisches Lithium oder oberflächenbeschichtete Lithium-Nanopartikel beigemischt werden, was jedoch auch jeweils die erreichbaren Energiedichten negativ beeinflusst, bzw. limitiert und weiteren Prozessaufwand in der Herstellung verursacht. It is common to all these electrode forms that during the first charge / discharge cycles of the cells ("formation") irreversible processes take place in which lithium is removed from the active material of the electrodes and transformed into a solid electrolyte interphase ("Solid Electrolyte Interphase ", SEI) is inserted between the negative electrode and the separator and thus removed from the galvanic processes of the cell and their energy density correspondingly lowers. As a countermeasure to this, it is known to provide additional lithium excess in the cell as part of a so-called "pre-lithiation" (English: "Pre-lithiation") by, for. B. the active material additional metallic lithium or surface-coated lithium nanoparticles are admixed, which, however, also negatively affects the achievable energy densities, or limits and causes further process complexity in the production.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Elektrodenanordnung für lithium-basierte galvanische Zellen zur Verfügung zu stellen, insbesondere um deren erreichbare Energiedichte zu erhöhen. The object of the present invention is to provide an improved electrode arrangement for lithium-based galvanic cells, in particular in order to increase their achievable energy density.

Eine Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht durch eine Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 1, eine galvanische Zelle gemäß Anspruch 10, eine Batterie gemäß Anspruch 11 und ein Verfahren gemäß Anspruch 13 zur Herstellung von solchen Elektrodenanordnungen. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. A solution of this object is achieved according to the teaching of the independent claims by an electrode arrangement according to claim 1, a galvanic cell according to claim 10, a battery according to claim 11 and a method according to claim 13 for the production of such electrode arrangements. Various embodiments and modifications of the invention are subject of the dependent claims.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für lithium-basierte galvanische Zellen. Die Elektrodenanordnung weist eine (erste) freistehende Elektrode, die ein (erstes) Elektrodenaktivmaterial enthält, und eine Ausgleichsschicht auf. Die Ausgleichsschicht enthält metallisches Lithium und steht mit der (ersten) Elektrode an einer (ersten) Grenzfläche zwischen der (ersten) Elektrode und der Ausgleichsschicht unmittelbar in Kontakt, sodass metallisches Lithium aus der Ausgleichsschicht durch die (erste) Grenzfläche in die (erste) Elektrode eindringen, insbesondere diffundieren, kann. A first aspect of the invention relates to an electrode arrangement for lithium-based galvanic cells. The electrode assembly comprises a (first) free-standing electrode containing a (first) electrode active material and a leveling layer. The balance layer contains metallic lithium and directly contacts the (first) electrode at a (first) interface between the (first) electrode and the balance layer so that metallic lithium from the balance layer passes through the (first) interface into the (first) electrode penetrate, in particular diffuse, can.

Unter einer „lithium-basierte galvanische Zelle" im Sinne der Erfindung ist dabei eine galvanische Zelle, also eine Zelle zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie, zu verstehen, bei der Lithium, etwa in ionischer Form, an den bei dieser Umwandlung ablaufenden chemischen Prozessen beteiligt ist. Jede Kombination von zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten bezeichnet man dabei als "galvanische Zelle". Der Elektrolyt kann in flüssiger Form vorliegen oder aber auch in fester Form, insbesondere als Bestandteil eines sogenannten "Separators" zur räumlichen und elektrischen Trennung der beiden Elektroden einer Zelle bei gleichzeitiger Ionendurchlässigkeit. Insbesondere sind Lithium-Ionen-Zellen, wozu insbesondere auch Zellen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren gehören, Lithium-basierte galvanische Zellen im Sinne der Erfindung. In the context of the invention, a "lithium-based galvanic cell" is understood to mean a galvanic cell, that is to say a cell for the spontaneous conversion of chemical energy into electrical energy, in the case of lithium, for example in ionic form This transformation involved chemical processes involved. Each combination of two different electrodes and one electrolyte is called a "galvanic cell". The electrolyte can be present in liquid form or else in solid form, in particular as part of a so-called "separator" for the spatial and electrical separation of the two electrodes of a cell with simultaneous ion permeability. In particular, lithium-ion cells, which include in particular cells of lithium-ion batteries, lithium-based galvanic cells according to the invention.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung kann der während der ersten Zyklen des Betriebs einer mit der Elektrodenanordnung ausgestatteten galvanischen Zelle der auftretende Verlust von Lithium in die sich dabei ausbildende SEI-Schicht durch metallisches Lithium aus der Ausgleichsschicht zumindest größtenteils kompensiert werden. So kann die erreichbare Energiedichte einer solchen galvanischen Zelle gegenüber herkömmlichen galvanischen Zellen, insbesondere solchen die eine oder mehrere freistehende Elektroden verwenden, erhöht werden. Die mechanische Integrität der freistehenden Elektroden wird dadurch nicht beeinträchtigt, und insbesondere ist es möglich, die freistehende Elektrode zunächst separat herzustellen, und erst nachträglich mit der Ausgleichsschicht zur Erzeugung der Elektrodenanordnung zu verbinden. Die Ausgleichsschicht kann insbesondere zugleich als Stromableiter für die Elektrode dienen. Auf zusätzliche metallische Stromableiter wie bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen kann dagegen verzichtet werden, was die erreichbare, insbesondere gravimetrische und/oder volumetrische, Energiedichte der Zelle noch weiter erhöht. Dies gilt umso mehr, als solche metallischen Stromableiter in der Regel aus Materialien, wie etwa Kupfer oder Aluminium, gefertigt werden, die eine deutlich höhere Massendichte aufweisen als metallisches Lithium. Die freistehende Elektrode kann insbesondere als negative Elektrode (dies entspricht einer Anode beim Entladevorgang bzw. einer Kathode beim Ladevorgang) einer galvanischen Zelle konfiguriert sein. With the aid of the electrode arrangement according to the invention, the loss of lithium occurring during the first cycles of operation of a galvanic cell equipped with the electrode arrangement can at least largely be compensated by metallic lithium from the compensating layer in the thereby forming SEI layer. Thus, the achievable energy density of such a galvanic cell compared to conventional galvanic cells, in particular those using one or more free-standing electrodes can be increased. The mechanical integrity of the free-standing electrodes is not impaired thereby, and in particular it is possible to initially produce the freestanding electrode separately, and to subsequently connect with the compensation layer for producing the electrode assembly. The compensating layer can in particular simultaneously serve as a current conductor for the electrode. On the other hand, additional metallic current collectors as in conventional lithium-ion cells can be dispensed with, which further increases the achievable, in particular gravimetric and / or volumetric, energy density of the cell. This is even more so, as such metallic current conductors are usually made of materials such as copper or aluminum, which have a much higher mass density than metallic lithium. The free-standing electrode can in particular be configured as a negative electrode (this corresponds to an anode during the discharge process or a cathode during the charging process) of a galvanic cell.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Elektrodenanordnung und deren Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, beliebig miteinander sowie mit den im Weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können. In the following, preferred embodiments of the electrode arrangement and their developments will be described, which, unless expressly excluded, may be combined as desired with one another as well as with the other aspects of the invention described below.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform enthält die Ausgleichsschicht eine metallische Lithiumfolie oder oberflächenbeschichtete Lithium-Nanopartikel. Die Ausgleichsschicht kann insbesondere auch, zumindest im Wesentlichen, aus einer metallischen Lithium-Folie oder oberflächenbeschichtete Lithium Nanopartikel bestehen. Auf diese Weise kann das zur Kompensation des in die SEI-Schicht übergegangenen Lithiums erforderliche metallische Lithium besonders effizient bereitgestellt werden. Insbesondere bei Verwendung einer metallischen Lithium-Folie ist diese vorteilhaft zugleich als gut elektrisch leitender Stromableiter für die freistehende Elektrode verwendbar. According to a first preferred embodiment, the compensation layer contains a metallic lithium foil or surface-coated lithium nanoparticles. The compensation layer may in particular also, at least substantially, consist of a metallic lithium foil or surface-coated lithium nanoparticles. In this way, the metallic lithium required to compensate for the lithium transferred to the SEI layer can be provided particularly efficiently. In particular, when using a metallic lithium foil, this is advantageous at the same time usable as a good electrically conductive current conductor for the free-standing electrode.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die (erste) freistehende Elektrode und die Ausgleichsschicht mechanisch oder chemisch gekoppelt. Dabei tritt die mechanische oder chemische Kopplung, gemäß bevorzugter Weiterbildungen hierzu, zumindest teilweise an der (ersten) Grenzfläche auf. Auf diese Weise können zusätzliche Kopplungsmechanismen entfallen. Insbesondere kann, gemäß einer bevorzugten Variante die zusammen mit der Ausgleichsschicht die (erste) Grenzfläche definierende Oberfläche der (ersten) Elektrode zumindest bereichsweise eine poröse Oberflächenstruktur aufweisen und die mechanische Kopplung zwischen der (ersten) Elektrode und der Ausgleichsschicht zumindest teilweise durch einen haftenden Eingriff einer Oberflächenstruktur der Ausgleichsschicht in die poröse Oberflächenstruktur der (ersten) Elektrode, und/oder umgekehrt, an der (ersten) Grenzschicht erfolgen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft nutzbar, wenn die Ausgleichsschicht eine Lithium-Folie aufweist. Die Lithium-Folie kann aufgrund ihrer hohen Duktilität leicht unter mechanischem Druck in die poröse Oberfläche der (ersten) Elektrode gedrückt werden, um in diese mechanisch haftend einzugreifen und so eine mechanische Kopplung zu bewirken. Insbesondere kann die Porosität an der (ersten) Grenzfläche höher sein, als auf einem Oberflächenabschnitt der (ersten) Elektrode, der dazu vorgesehen ist, beim Aufbau einer galvanischen Zelle mittels der (ersten) Elektrode mit einem Separator der Zelle in Kontakt zu stehen. Auf diese Weise kann einerseits an der (ersten) Grenzfläche die mechanische Kopplung verbessert und andererseits an der Verbindungsfläche zum Separator ein optimierter Kontakt gefördert werden, der nicht durch eine ggf. zu hohe Porosität beeinträchtigt wird. According to a further preferred embodiment, the (first) freestanding electrode and the compensation layer are mechanically or chemically coupled. In this case, the mechanical or chemical coupling, according to preferred developments thereto, occurs at least partially at the (first) interface. In this way, additional coupling mechanisms can be omitted. In particular, according to a preferred variant, the surface (s) of the (first) electrode defining the (first) interface at least in regions may have a porous surface structure and the mechanical coupling between the (first) electrode and the compensation layer at least partially by an adhesive engagement of one Surface structure of the compensation layer in the porous surface structure of the (first) electrode, and / or vice versa, take place at the (first) boundary layer. This can be used advantageously in particular if the compensation layer has a lithium foil. Due to its high ductility, the lithium foil can easily be pressed under mechanical pressure into the porous surface of the (first) electrode in order to mechanically adhere to it and thus bring about a mechanical coupling. In particular, the porosity at the (first) interface may be higher than on a surface portion of the (first) electrode which is intended to be in contact with a separator of the cell by means of the (first) electrode in the construction of a galvanic cell. In this way, on the one hand, the mechanical coupling can be improved at the (first) interface and, on the other hand, optimized contact can be promoted on the connection surface to the separator, which is not impaired by an optionally too high porosity.

Gemäß einer weiteren, alternativ oder zusätzlich dazu einsetzbaren Variante erfolgt eine chemische Kopplung bzw. Bindung zwischen der (ersten) Elektrode und der Ausgleichsschicht an der (ersten) Grenzfläche mittels eines Klebstoffs, bevorzugt mittels eines Polymerklebstoffs. Diese Variante ist insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn das Material der (ersten) Elektrode über keine nennenswerte Oberflächenstruktur verfügt, die für die Ausbildung einer mechanischen Kopplung geeignet ist. According to a further variant which can be used alternatively or additionally, a chemical coupling or bonding between the (first) electrode and the leveling layer takes place at the (first) interface by means of an adhesive, preferably by means of a polymer adhesive. This variant can be used advantageously in particular if the material of the (first) electrode has no appreciable surface structure which is suitable for the formation of a mechanical coupling.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Ausgleichsschicht des Weiteren eine Netz- oder Gitterstruktur auf, mit der die Ausgleichsschicht zumindest teilweise durchzogen ist. Auf diese Weise kann die mechanische Stabilität der Ausgleichsschicht und damit auch der Elektrodenanordnung im Ganzen, insbesondere gegen über auftretenden Zugspannungen, erhöht werden, ohne dabei die Funktionalität der Ausgleichsschicht als Lithium-Lieferant nennenswert zu beeinträchtigen. Wenn die (erste) Elektrode als negative Elektrode einer galvanischen Zelle vorgesehen ist, enthält die Netz- oder Gitterstruktur bevorzugt Kupfer oder besteht im Wesentlichen daraus. Die Netz- oder Gitterstruktur kann insbesondere auch vorteilhaft zu Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Ausgleichsschicht, und insbesondere bei deren zusätzlichen Verwendung als Stromableitung der Elektrode genutzt werden. Dabei kann die Netz- oder Gitterstruktur insbesondere selbst als Stromableiter und Traegermaterial dienen. According to a further preferred embodiment, the compensation layer further comprises a mesh or grid structure, with which the Leveling layer is at least partially traversed. In this way, the mechanical stability of the compensation layer and thus also of the electrode assembly as a whole, in particular against occurring tensile stresses, can be increased, without negatively affecting the functionality of the compensation layer as a lithium supplier. When the (first) electrode is provided as a negative electrode of a galvanic cell, the mesh or lattice structure preferably contains or consists essentially of copper. In particular, the mesh or grid structure can also advantageously be used to increase the electrical conductivity of the compensating layer, and in particular in the case of its additional use as current discharge of the electrode. In this case, the network or lattice structure can serve in particular itself as a current conductor and carrier material.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Elektrodenanordnung des Weiteren eine zweite, freistehende Elektrode auf, die an einer von der ersten Grenzfläche verschiedenen zweiten Grenzfläche zwischen der zweiten Elektrode und der Ausgleichsschicht mit dieser unmittelbar in Kontakt steht, so dass die erste und die zweite Elektrode durch die Ausgleichsschicht elektrisch leitend verbunden sind und metallisches Lithium aus der Ausgleichsschicht durch die zweite Grenzfläche auch in die zweite Elektrode eindringen kann. Die zweite Elektrode ist bevorzugt gleichartig zu der ersten freistehenden Elektrode ausgebildet. Eine solche Elektrodenanordnung stellt eine platzsparende und somit auch die Energiedichte einer damit ausgestatteten galvanischen Zelle oder Batterie steigernde Doppelelektrode dar. According to a further preferred embodiment, the electrode assembly further comprises a second, free-standing electrode, which is in direct contact with the second electrode at a second interface between the second electrode and the compensation layer, so that the first and second electrodes pass through the compensation layer are electrically conductively connected and metallic lithium from the compensation layer can penetrate through the second interface also in the second electrode. The second electrode is preferably formed similar to the first free-standing electrode. Such an electrode arrangement represents a space-saving and thus also the energy density of a so-equipped galvanic cell or battery enhancing double electrode.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine lithium-basierte galvanische Zelle. Sie weist eine Elektrodenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, einer ersten Gegenelektrode mit einem von dem der ersten Elektrode unterschiedlichen, zweiten Elektrodenaktivmaterial, und einen zwischen der ersten Elektrode und der ersten Gegenelektrode angeordneten ersten Separator auf. Dabei sind die erste Grenzfläche und die zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Separator auftretende Kontaktfläche verschieden, insbesondere liegen sie bevorzugt an gegenüberliegenden Seiten der Ausgleichsschicht. Insbesondere kann die erste Elektrode eine Anode sein und die Gegenelektrode entsprechend eine Kathode der galvanischen Zelle. Dabei ist – wie in der Elektrochemie üblich – unter “Anode“ die elektrisch negative Elektrode der galvanischen Zelle zu verstehen und unter "Kathode" entsprechend die elektrisch positive Elektrode. A second aspect of the invention relates to a lithium-based galvanic cell. It has an electrode arrangement according to the first aspect of the invention, a first counterelectrode with a second electrode active material different from that of the first electrode, and a first separator arranged between the first electrode and the first counterelectrode. In this case, the first interface and the contact surface occurring between the first electrode and the first separator are different, in particular they are preferably located on opposite sides of the compensating layer. In particular, the first electrode may be an anode and the counterelectrode may be a cathode of the galvanic cell. It is - as customary in electrochemistry - "anode" to understand the electrically negative electrode of the galvanic cell and "cathode" accordingly the electrically positive electrode.

Auf diese Weise kann aufgrund des Auseinanderfallens der beiden Flächen das metallische Lithium aus der Ausgleichsschicht durch die (erste) Elektrode hindurch zu der SEI-Schicht gelangen, die sich an einer Grenzfläche zwischen der (ersten) Elektrode und dem (ersten) Separator ausbildet. Dies kann vorteilhaft dazu führen, dass im Wesentlichen nur soviel Lithium in die SEI-Schicht aufgenommen und somit den galvanischen Prozessen entzogen wird, wie zur zwangsläufigen Ausbildung der SEI-Schicht unvermeidbar ist, während weiteres aus der Ausgleichsschicht in die (erste) Elektrode eingedrungenes Lithium dort verbleibt und somit keinen negativen Einfluss auf die Energiedichte der galvanischen Zelle nimmt. In this way, due to the disintegration of the two surfaces, the metallic lithium from the balance layer may pass through the (first) electrode to the SEI layer formed at an interface between the (first) electrode and the (first) separator. This can advantageously lead to essentially only so much lithium being taken up in the SEI layer and thus being removed from the galvanic processes, as is inevitable for the inevitable formation of the SEI layer, while further lithium has penetrated from the compensating layer into the (first) electrode remains there and thus does not have a negative influence on the energy density of the galvanic cell.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine lithium-basierte Batterie. Sie weist wenigstens zwei galvanische Zellen gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und wenigstens eine Elektrodenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf. Dabei stellt die erste freistehende Elektrode der Elektrodenanordnung eine Elektrode einer ersten der Zellen dar während die zweite freistehende Elektrode der Elektrodenanordnung eine Elektrode einer zweiten, zur ersten benachbarten der Zellen darstellt. Diese beiden freistehenden Elektroden sind über die zwischen ihnen angeordnete Ausgleichsschicht der Elektrodenanordnung elektrisch miteinander verbunden. Bevorzugt sind die beiden freistehenden Elektroden vom gleichen Elektrodentyp, bevorzugt vom Anoden-Typ. A third aspect of the invention relates to a lithium-based battery. It has at least two galvanic cells according to the second aspect of the invention and at least one electrode arrangement according to the first aspect of the invention. In this case, the first free-standing electrode of the electrode arrangement represents an electrode of a first of the cells while the second free-standing electrode of the electrode arrangement represents an electrode of a second, adjacent to the first of the cells. These two free-standing electrodes are electrically connected to one another via the compensation layer of the electrode arrangement arranged between them. Preferably, the two free-standing electrodes of the same type of electrode, preferably of the anode type.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Ausgleichsschicht eine Slurry, die sowohl einen, bevorzugt polymerbasierten, Klebstoff als auch oberflächenbeschichtete Lithium-Nanopartikel enthält, wobei zwischen den beiden freistehenden Elektroden mittels des Klebstoffs eine chemische Bindung ausgebildet ist. Auf diese Weise sind die beiden galvanischen Zellen auf einfach herstellbare Weise miteinander verbunden. According to a preferred embodiment, the compensation layer contains a slurry which contains both a preferably polymer-based adhesive and surface-coated lithium nanoparticles, wherein a chemical bond is formed between the two free-standing electrodes by means of the adhesive. In this way, the two galvanic cells are connected to one another in a manner which is easy to produce.

Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung für lithium-basierte galvanische Zellen, insbesondere zu Herstellung einer Elektrodenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer freistehenden Elektrode, die ein Elektrodenaktivmaterial enthält; und Aufbringen einer Ausgleichsschicht, welche metallisches Lithium enthält, auf eine Oberfläche der Elektrode, so dass sich eine Grenzfläche zwischen der Elektrode und der Ausgleichsschicht ausbildet, an der beide unmittelbar in Kontakt miteinander stehen, und metallisches Lithium aus der Ausgleichsschicht durch die erste Grenzfläche in die erste Elektrode eindringen kann. A fourth aspect of the invention finally relates to a method for producing an electrode arrangement for lithium-based galvanic cells, in particular for producing an electrode arrangement according to the first aspect of the invention. The method comprises the steps of: providing a freestanding electrode containing an electrode active material; and applying a leveling layer containing metallic lithium to a surface of the electrode so as to form an interface between the electrode and the balance layer, both of which are in direct contact with each other, and metallic lithium from the balance layer through the first interface first electrode can penetrate.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist die zusammen mit der Ausgleichsschicht die Grenzfläche definierende Oberfläche der Elektrode zumindest bereichsweise eine poröse Oberflächenstruktur auf. Die Ausgleichsschicht enthält eine metallische Lithiumfolie oder besteht daraus. Eine mechanische Kopplung zwischen der Elektrode und der Ausgleichsschicht wird erreicht, indem auf die Lithiumfolie ein mechanischer Druck ausgeübt wird, der die Folie auf die Oberfläche der Elektrode drückt, so dass sich die Lithiumfolie verformt und dabei in die poröse Oberflächenstruktur der Elektrode eingreift, und/oder umgekehrt. So lässt sich besonders effizient eine mechanische Kopplung zwischen einer folienartigen Ausgleichsschicht und der freistehenden Elektrode bewirken. Zugleich kann dabei die effektive Oberfläche für den Übergang von Lithium in die Elektrode vergrößert werden, dass sich die effektive Kontaktfläche von Ausgangsschicht und Elektrode an der Grenzschicht entsprechend vergrößert. According to a first preferred embodiment of the method, the surface of the electrode defining the interface together with the compensation layer has a porous surface structure at least in regions. The Leveling layer contains or consists of a metallic lithium foil. A mechanical coupling between the electrode and the leveling layer is achieved by applying a mechanical pressure to the lithium foil, which presses the foil onto the surface of the electrode so that the lithium foil deforms, thereby engaging the porous surface structure of the electrode, and / or the other way around. Thus, a mechanical coupling between a film-like compensation layer and the free-standing electrode can be effected particularly efficiently. At the same time, the effective surface area for the transition of lithium into the electrode can be increased, so that the effective contact area between the starting layer and the electrode at the boundary layer increases correspondingly.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, die zusätzlich oder alternativ zur unmittelbar vorausgehend beschriebenen ersten Ausführungsform verwendet werden kann, enthält die Ausgleichsschicht oberflächenbeschichtete Lithium-Nanopartikel. Eine chemische Kopplung zwischen der Elektrode und der Ausgleichsschicht an der Grenzfläche wird erreicht, indem ein, insbesondere polymerbasierter, Klebstoff als Bestandteil zumindest eines mit der Elektrode in Kontakt kommenden Bereichs der Ausgleichsschicht vorgesehen und/oder zusätzlich auf wenigstens einer die zu bildende Grenzfläche definierenden Oberflächen der Elektrode und der Ausgleichsschicht so aufgebracht wird, dass dessen ungeachtet metallisches Lithium aus der Ausgleichsschicht durch die Grenzfläche in die Elektrode eindringen kann. According to a second preferred embodiment of the method, which may be used in addition to or as an alternative to the first embodiment described immediately above, the leveling layer contains surface-coated lithium nanoparticles. A chemical coupling between the electrode and the leveling layer at the interface is achieved by providing an adhesive, in particular polymer-based, as a constituent of at least one area of the compensation layer coming into contact with the electrode and / or additionally on at least one surface defining the interface to be formed Irrespective of this, the electrode and the compensation layer are applied in such a way that, however, metallic lithium can penetrate from the compensation layer through the interface into the electrode.

Das vorausgehend jeweils für den ersten Aspekt der Erfindung, insbesondere dessen bevorzugte Ausführungsformen Gesagte trifft entsprechend auf die weiteren Aspekte der Erfindung zu und wurde daher dort nicht nochmals wiederholt. The above, in each case for the first aspect of the invention, in particular its preferred embodiments, applies correspondingly to the further aspects of the invention and was therefore not repeated there again.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Further advantages, features and possible applications of the present invention will become apparent from the following detailed description taken in conjunction with the figures.

Dabei zeigt: Showing:

1 schematisch den Aufbau einer Batterie mit zwei galvanischen Zellen, unter Verwendung einer Elektrodenstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, sowie deren zeitliche Entwicklung mit fortschreitender Zyklen; 1 schematically the structure of a battery with two galvanic cells, using an electrode structure according to a preferred embodiment of the invention, and their temporal evolution with progressive cycles;

2 schematisch den Aufbau einer Batterie mit zwei galvanischen Zellen, unter Verwendung einer Elektrodenstruktur, bei der die Ausgleichsschicht speziell mittels einer Slurry, welche oberflächenbeschichteten Lithium-Nanopartikel enthält, ausgebildet ist; 2 schematically the construction of a battery with two galvanic cells, using an electrode structure in which the compensation layer is formed specifically by means of a slurry containing surface-coated lithium nanoparticles;

3 schematisch den Aufbau einer Batterie mit zwei galvanischen Zellen, unter Verwendung einer Elektrodenstruktur, bei der die Ausgleichsschicht gemäß 1 oder 2 zur Erhöhung ihrer mechanischen Festigkeit und elektrischen Leitfähigkeit mit einem Kupfergitter durchzogen ist; 3 schematically the construction of a battery with two galvanic cells, using an electrode structure in which the compensation layer according to 1 or 2 is crossed with a copper grid to increase its mechanical strength and electrical conductivity;

4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, unter Verwendung einer Lithium-Folie als Ausgleichsschicht; und 4 a flow diagram illustrating a preferred embodiment of the method according to the invention, using a lithium foil as a leveling layer; and

5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, unter Verwendung von einer Slurry, welche oberflächenbeschichteten Lithium-Nanopartikel enthält, als Ausgleichsschicht. 5 a flow diagram illustrating a preferred embodiment of the method according to the invention, using a slurry containing surface-coated lithium nanoparticles as a leveling layer.

In den nachfolgenden Figuren, werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet. In the following figures, the same reference numerals are used for the same or corresponding elements of the invention throughout.

Zunächst wird auf 1 Bezug genommen, die drei verschiedene zeitlich nacheinander folgende Zustände einer erfindungsgemäßen Batterie 1 zeigt. In 1(a) ist die Batterie 1 unmittelbar nach ihrer Herstellung dargestellt. Sie weist zwei gleichartige galvanische Zellen 2a und 2b auf, die jeweils als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sind und eine elektrisch negative Elektrode ("Anode") 3a bzw. 3b, eine positive Elektrode ("Kathode") 5a bzw. 5b, so wie einen dazwischenliegenden und zugleich als Elektrolyt dienenden Separator 4a bzw. 4b aufweisen. Zumindest die beiden Anoden 3a bzw. 3b, bevorzugt aber auch die Kathoden 5a und 5b, sind jeweils als sogenannte freistehende Elektroden (FSE) ausgebildet, sodass sie über keine zusätzlichen Träger- oder Stromableiterschicht verfügen, sondern jeweils selbst eine ausreichende mechanische Stabilität und Festigkeit aufweisen. Eine der. Anoden 3a und 3b bildet zusammen mit der Ausgleichsschicht 6 eine elementare Elektrodenanordnung, wie sie vorausgehend im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurde. Zu dieser elementaren Elektrodenanordnung wurden die weiteren in 1(a) dargestellten Elemente der Batterie zum Zwecke des Aufbaus der galvanischen Zellen 2a bzw. 2b und der Batterie 1 insgesamt hinzugefügt. First, it will open 1 Reference is made, the three different temporally successive states of a battery according to the invention 1 shows. In 1 (a) is the battery 1 shown immediately after their preparation. It has two similar galvanic cells 2a and 2 B on, which are each formed as a lithium-ion cell and an electrically negative electrode ("anode") 3a respectively. 3b , a positive electrode ("cathode") 5a respectively. 5b , as well as an intervening and at the same time serving as an electrolyte separator 4a respectively. 4b exhibit. At least the two anodes 3a respectively. 3b but also prefers the cathodes 5a and 5b , are each designed as so-called free-standing electrodes (FSE), so they have no additional carrier or Stromableiterschicht, but each themselves have sufficient mechanical stability and strength. One of the. anodes 3a and 3b forms together with the leveling layer 6 an elementary electrode arrangement as described above in connection with the first aspect of the invention. For this elementary electrode arrangement, the others in 1 (a) shown elements of the battery for the purpose of building the galvanic cells 2a respectively. 2 B and the battery 1 total added.

Die beiden Zellen 2a und 2b sind spiegelbildlich zueinander angeordnet und mittels einer Ausgleichsschicht 6, die zwischen den Anoden 3a und 3b vorgesehen ist, so aufeinander gestapelt, dass die Stapelrichtung der beiden Zellen 2a und 2b zugleich der Stapelrichtung der einzelnen Elektroden 3a, 3b, 5a, 5b und Separatoren 4a, 4b innerhalb der jeweiligen Zellen 2a und 2b entspricht (in der Zeichnung aus 1(a) verläuft diese Stapelrichtung also horizontal). Die Ausgleichsschicht 6 kann insbesondere als metallische Lithium-Folie ausgebildet sein oder eine solche enthalten und ist elektrisch leitend, sodass sie die beiden Anoden 3a und 3b auch elektrisch miteinander verbindet. Wenn man die beiden Kathoden 5a bzw. 5b ebenfalls elektrisch miteinander verbindet, ergibt sich eine Parallelschaltung der beiden galvanischen Zellen 2a und 2b. Die Ausgleichsschicht 6 ist mechanisch und/oder chemisch mit den beiden Anoden 3a und 3b gekoppelt. Dies kann insbesondere dadurch bewirkt sein, dass die Ausgleichsschicht 6 als metallische Folie ausgebildet ist, die an der sich zwischen der jeweiligen Anode 3A bzw. 3b und der Ausgleichsschicht 6 bildenden Grenzfläche in die jeweilige Anode 3a bzw. 3b mittels einer ansprechenden Oberflächenstruktur eingreift. Dazu ist die zur Grenzfläche gehörende Oberfläche der jeweiligen Anode 3a bzw. 3b bevorzugt porös ausgestaltet, sodass die Metallfolie, insbesondere Lithium-Folie, aufgrund ihrer Duktilität in die Poren der entsprechenden Anoden Oberfläche eingepresst ist und somit die mechanische Kopplung bewirkt ist. Die Ausgleichsschicht 6, kann vorteilhaft zugleich als Stromableiter für die durch sie elektrisch verbundenen Anoden 3a und 3b konfiguriert sein. The two cells 2a and 2 B are mirror images of each other and arranged by means of a leveling layer 6 that exist between the anodes 3a and 3b is provided so stacked on each other that the stacking direction of the two cells 2a and 2 B at the same time the stacking direction of the individual electrodes 3a . 3b . 5a . 5b and separators 4a . 4b within each cell 2a and 2 B corresponds (in the drawing off 1 (a) this stacking direction thus runs horizontally). The leveling layer 6 in particular be formed as a metallic lithium foil or contain such and is electrically conductive, so they the two anodes 3a and 3b also electrically interconnects. If you have the two cathodes 5a respectively. 5b also electrically connected to each other, results in a parallel connection of the two galvanic cells 2a and 2 B , The leveling layer 6 is mechanical and / or chemical with the two anodes 3a and 3b coupled. This can be effected in particular by the fact that the compensation layer 6 is formed as a metallic foil, which at the between the respective anode 3A and 3b and the leveling layer 6 forming interface in the respective anode 3a respectively. 3b engages by means of an attractive surface structure. For this purpose, the surface belonging to the interface of the respective anode 3a respectively. 3b preferably designed porous, so that the metal foil, in particular lithium foil, is pressed into the pores of the corresponding anode surface due to their ductility and thus the mechanical coupling is effected. The leveling layer 6 , Advantageously, at the same time as a current conductor for the anodes electrically connected by them 3a and 3b be configured.

1(b) zeigt dieselbe Batterie 1, nachdem sie formiert wurde, d.h. ihre ersten Lade-/Entladezyklen durchlaufen hat. Im Vergleich zu dem in 1(a) gezeigten Ausgangszustand, hat sich nun die Dicke der Ausgleichsschicht 6 reduziert, da metallisches Lithium aus der Ausgleichsschicht in die benachbarten Anoden 3a und 3b gewandert ist und an deren gegenüberliegenden Seite sich unter Einbau von Lithium aus der jeweiligen Anode 3a bzw. 3b jeweils eine SEI-Schicht 7a bzw. 7b zwischen der Anode 3a bzw. 3b und dem zugehörigen Separator 4a bzw. 4b ausgebildet hat. Insgesamt ist somit ein Übergang von Lithium aus der Ausgleichsschicht 6 in die beiden SEI-Schichten 7a und 7b erfolgt. Der Lithium-Gehalt der beiden Anoden 3a und 3b ist dabei im Wesentlichen konstant geblieben, sodass auch die elektrochemische Leistungsfähigkeit der Batterie entsprechend im Wesentlichen unverändert geblieben ist. 1 (b) shows the same battery 1 after it has been formed, ie has undergone its first charge / discharge cycles. Compared to the in 1 (a) shown initial state, now has the thickness of the leveling layer 6 reduced because metallic lithium from the compensation layer in the adjacent anodes 3a and 3b has migrated and at its opposite side to incorporate lithium from the respective anode 3a respectively. 3b one SEI layer each 7a respectively. 7b between the anode 3a respectively. 3b and the associated separator 4a respectively. 4b has trained. Overall, there is thus a transition of lithium from the compensation layer 6 into the two SEI layers 7a and 7b he follows. The lithium content of the two anodes 3a and 3b has remained essentially constant, so that the electrochemical performance of the battery has remained essentially unchanged accordingly.

In Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, insbesondere aber der ursprünglichen Dicke der Ausgleichsschicht 6 und dem Lithium-Gehalt der Anoden 3a bzw. 3b kann nach weiteren Zyklen der in 1(c) gezeigte Zustand der Batterie 1 auftreten, bei dem die Ausgleichsschicht 6 vollständig aufgebraucht und somit verschwunden ist. Aus den beiden zuvor getrennten Anoden 3a und 3b ist eine einzige zusammenhängende Anode 3 geworden. Der gestrichelte Pfeil zeigt an, dass dieser in 1(c) dargestellte Zustand nicht zwangsläufig auftritt, während der in 1(b) dargestellte Zustand regelmäßig durch Formierung der Batterie 1 aus deren In 1(a) dargestellten Ausgangszustand heraus auftritt (was entsprechend durch einen Pfeil mit durchgezogener Begrenzungslinie illustriert ist). Depending on various factors, but especially the original thickness of the leveling layer 6 and the lithium content of the anodes 3a respectively. 3b can after further cycles of in 1 (c) shown state of the battery 1 occur where the leveling layer 6 completely used up and thus disappeared. From the two previously separated anodes 3a and 3b is a single contiguous anode 3 become. The dashed arrow indicates that this is in 1 (c) shown state does not necessarily occur while in 1 (b) illustrated state regularly by forming the battery 1 from the In 1 (a) outlined initial state (which is illustrated by an arrow with a solid boundary line).

In 2 ist eine alternative Ausführungsform der Batterie 1 in ihrem Ausgangszustand vor einer Formierung dargestellt. Diese Batterie 1 entspricht weitgehend der in 1(a) gezeigten Ausführungsform, jedoch mit der speziellen Festlegung, dass die Ausgleichsschicht 6 mittels einer Slurry ausgebildet ist, die oberflächenbeschichtete Lithium-Nanopartikel sowie einen geeigneten polymeren Klebstoff als Gemisch enthält. Durch das in den oberflächenbeschichteten Lithium-Nanopartikeln enthaltene metallische Lithium ist wieder eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden benachbarten Anoden 3a und 3b hergestellt. Außerdem ist mittels des in der Ausgleichsschicht 6 vorgesehenen Klebstoffs eine chemische Bindung zwischen der jeweiligen Anode 3a bzw. 3b und der jeweils zugewandten Seite der Ausgleichsschicht 6 hergestellt. Zusätzlich zu dieser chemischen Bindung kann zugleich mittels eines entsprechenden Eingreifens der an dieser Grenzfläche auftretenden Oberflächenstrukturen der Anoden 3a bzw. 3b und der Ausgleichsschicht 6 eine mechanische Kopplung vorhanden sein. Die chemische Bindung ist dabei so ausgestaltet, dass sie die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anoden 3a und 3b und auch das Eindringen von metallischen Lithium aus der Ausgleichsschicht 6 in die beiden Anoden 3a bzw. 3b nicht nennenswert behindert. Dies kann insbesondere über eine entsprechende Dosierung bzw. Konzentration und/oder räumliche Anordnung des Klebstoffs in der Ausgangsschicht 6 bzw. an den Grenzflächen zwischen den Anoden 3a bzw. 3b und der Ausgleichsschicht 6 bewirkt sein. Ansonsten entspricht die Batterie 1 aus 2 der in 1 gezeigten. Insbesondere sind auch die weiteren Zustände, wie sie in 1(b) und 1(c) dargestellt sind, nach einer entsprechenden Anzahl von Zyklen erreichbar. In 2 is an alternative embodiment of the battery 1 shown in their initial state before forming. This battery 1 is largely the same as in 1 (a) shown embodiment, but with the specific definition that the compensation layer 6 is formed by a slurry containing surface-coated lithium nanoparticles and a suitable polymeric adhesive as a mixture. The metallic lithium contained in the surface-coated lithium nanoparticles is again an electrically conductive connection between the two adjacent anodes 3a and 3b produced. In addition, by means of the in the compensation layer 6 provided a chemical bond between the respective anode 3a respectively. 3b and the respectively facing side of the compensation layer 6 produced. In addition to this chemical bond, the surface structures of the anodes which occur at this interface can at the same time be activated by means of an appropriate intervention 3a respectively. 3b and the leveling layer 6 a mechanical coupling may be present. The chemical bond is designed so that it the electrical connection between the two anodes 3a and 3b and also the penetration of metallic lithium from the leveling layer 6 in the two anodes 3a respectively. 3b not significantly impeded. This can be done in particular by means of a corresponding dosage or concentration and / or spatial arrangement of the adhesive in the starting layer 6 or at the interfaces between the anodes 3a respectively. 3b and the leveling layer 6 be effective. Otherwise the battery is the same 1 out 2 the in 1 shown. In particular, the other states as they are in 1 (b) and 1 (c) can be reached after a corresponding number of cycles.

In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Batterie 1 in ihrem Ausgangszustand vor einer Formierung dargestellt. Diese Batterie 1 entspricht weitgehend einer der in 1(a) oder 2 gezeigten Ausführungsformen, jedoch mit dem Unterschied bzw. der speziellen Festlegung, dass in der Ausgleichsschicht 6 zusätzlich eine Gitter- oder Netzstruktur aus einem Metall, bevorzugt aus Kupfer, eingebracht ist. Im Falle einer 2 entsprechenden Ausführungsform, kann die Gitter- bzw. Netzstruktur insbesondere in das Gemisch aus oberflächenbeschichtete Lithium-Nanopartikeln und Klebstoff integriert sein, und diesem somit zusätzlich eine erhöhte mechanische Festigkeit, insbesondere gegenüber Zugbelastungen, sowie eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit verleihen. Im Falle, dass die Ausgleichsschicht 6 eine metallische Lithium-Folie enthält, kann deren mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit ebenfalls durch Hinzufügung einer entsprechenden Gitter- bzw. Netzstruktur erhöht sein. Bevorzugt ist die Gitter- bzw. Netzstruktur dabei in die Lithium-Folie selbst integriert. Insbesondere kann die Gitter- bzw. Netzstruktur in allen Fällen auch als Stromableiter für die beiden Anoden 3a und 3b konfiguriert sein. In 3 is another embodiment of the battery 1 shown in their initial state before forming. This battery 1 corresponds largely to one of the 1 (a) or 2 shown embodiments, but with the difference or special determination that in the compensation layer 6 In addition, a grid or network structure of a metal, preferably of copper, is introduced. In case of a 2 corresponding embodiment, the grid or network structure can be integrated in particular in the mixture of surface-coated lithium nanoparticles and adhesive, and thus this in addition an increased mechanical strength, especially against tensile loads, as well as an increased electrical conductivity. In the event that the leveling layer 6 contains a metallic lithium foil, their mechanical strength and electrical conductivity may also be increased by the addition of a corresponding grid or network structure. Preferably, the grid or network structure is integrated into the lithium foil itself. In particular, the Grid or network structure in all cases as a current conductor for the two anodes 3a and 3b be configured.

4 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit einer freistehenden Elektrode (FSE) und einer Ausgleichsschicht 6, die insbesondere eine Lithium(Li)-Folie enthalten oder daraus bestehen kann (vgl. 1(a)). Dabei wird in einem ersten Schritt S1 eine solche freistehende Elektrode bereitgestellt, die insbesondere als Anode 3a bzw. 3b einer damit aufzubauenden galvanischen Zelle 2a bzw. 2b bzw. einer aus mehreren solcher galvanischen Zellen 2a bzw. 2b aufgebauten Batterie 1 konfiguriert sein kann. In einem nachfolgenden Schritt S2 wird die Ausgleichsschicht auf einer dazu vorgesehenen Oberfläche der FSE aufgebracht, im Falle einer Li-Folie insbesondere aufgelegt. Schließlich wird in einem weiteren Schritt S3 ein mechanischer Druck auf die Ausgleichsschicht so ausgeübt, dass diese durch Verformung ihrer Oberfläche an der Kontakt- bzw. Grenzfläche zur FSE in deren Oberfläche eingreift, und/oder umgekehrt, sodass eine mechanische Kopplung zwischen der FSE und der Ausgleichsschicht erreicht wird. Der Druck kann dabei insbesondere unmittelbar mechanisch mittels eines entsprechenden Werkzeugs, oder aber auch dadurch ausgeübt werden, dass ein Luft- oder anderer Gasdruck, der auf der Ausgleichsschicht lastet, entsprechend hoch eingestellt wird. Das Eingreifen der Li-Folie in eine entsprechende Oberflächenstruktur der FSE kann insbesondere dadurch erleichtert sein, dass diese Oberflächenstruktur porös ausgebildet ist, sodass die Ausgleichsschicht, insbesondere Li-Folie, aufgrund ihrer Duktilität verformt werden und dabei in die Poren der Oberflächenstruktur der FSE eindringen kann. 4 shows a flow chart illustrating a preferred embodiment of the inventive method for producing an electrode assembly according to the invention with a free-standing electrode (FSE) and a leveling layer 6 in particular containing or consisting of a lithium (Li) film (cf. 1 (a) ). In this case, such a free-standing electrode is provided in a first step S1, in particular as an anode 3a respectively. 3b a galvanic cell to be built with it 2a respectively. 2 B or one of several such galvanic cells 2a respectively. 2 B built-up battery 1 can be configured. In a subsequent step S2, the compensating layer is applied to a surface of the FSE provided for this purpose, in particular in the case of a Li foil. Finally, in a further step S3, a mechanical pressure is exerted on the compensation layer such that it engages by deformation of its surface at the contact or interface to the FSE in its surface, and / or vice versa, so that a mechanical coupling between the FSE and the Leveling layer is achieved. The pressure can be exerted in particular directly mechanically by means of a corresponding tool, or else by the fact that an air or other gas pressure, which rests on the compensating layer, is set correspondingly high. The engagement of the Li foil in a corresponding surface structure of the FSE can be facilitated in particular by the fact that this surface structure is porous, so that the leveling layer, in particular Li foil, can be deformed due to its ductility and thereby penetrate into the pores of the surface structure of the FSE ,

5 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, unter Verwendung von einer Slurry, welche oberflächenbeschichteten Lithium-Nanopartikel enthält, als Ausgleichsschicht 6. Dabei wird wiederum in einem entsprechenden Schritt S1 eine freistehende Elektrode, die mit der Ausgleichsschicht 6 zu versehen ist, bereitgestellt. In einem nachfolgenden Schritt S4 kann dann ein Klebstoff, bevorzugt ein Polymerklebstoff, auf die zur Ausbildung einer Grenzschicht mit der Ausgleichsschicht 6 vorgesehene Oberfläche der FSE 3a, 3b aufgebracht werden, und/oder umgekehrt. Alternativ oder zusätzlich kann die Slurry, welche oberflächenbeschichteten Lithium-Nanopartikel enthält, mit dem Klebstoff gemischt sein bzw. werden. Sodann wird in einem Schritt S5 die Ausgleichsschicht 6 ausgebildet. Dabei kann optional eine Gitter- bzw. Netzstruktur zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Ausgleichsschicht 6 integriert werden. Bevorzugt ist diese Gitter- bzw. Netzstruktur aus Metall, insbesondere Kupfer, so das sie zugleich die elektrische Leitfähigkeit der Ausgleichsschicht 6 erhält oder gar verbessert und sogar als Stromableiter für die mit der Ausgleichsschicht zu verbindende(n) Elektrode(n) konfiguriert werden kann. In einem weiteren Schritt S6 wird sodann die Ausgleichsschicht, d.h. die Slurry, welche oberflächenbeschichteten Lithium-Nanopartikel enthält, auf die dazu vorgesehene Oberfläche der FSE 3a, 3b aufgebracht. Soweit klebstoffabhängig erforderlich, wird der Klebstoff noch aktiviert, etwa durch Temperatur- oder UV-Strahlungseinwirkung, um eine durch den Klebstoff vermittelte chemische Kopplung zwischen der FSE 3a bzw. 3b und der Ausgleichsschicht 6 zu bewirken. In einer bevorzugten Variante können die Schritte S5 und S6 auch gleichzeitig, bzw. als kombinierter Schritt ausgeführt werden. 5 shows a flow chart illustrating a further preferred embodiment of the method according to the invention, using a slurry containing surface-coated lithium nanoparticles, as a leveling layer 6 , In this case, in turn, in a corresponding step S1, a free-standing electrode, which with the compensation layer 6 to be provided. In a subsequent step S4, an adhesive, preferably a polymer adhesive, may then be applied to form a boundary layer with the leveling layer 6 provided surface of the FSE 3a . 3b be applied, and / or vice versa. Alternatively or additionally, the slurry containing surface-coated lithium nanoparticles may be mixed with the adhesive. Then, in a step S5, the compensation layer 6 educated. Optionally, a grid or network structure for increasing the mechanical strength of the compensation layer 6 to get integrated. This grid or network structure is preferably made of metal, in particular copper, so that it at the same time the electrical conductivity of the compensation layer 6 can be maintained or even improved and even configured as a current collector for the electrode (s) to be connected to the leveling layer. In a further step S6, the leveling layer, ie the slurry containing surface-coated lithium nanoparticles, is then applied to the surface of the FSE provided for this purpose 3a . 3b applied. As far as adhesive dependent, the adhesive is still activated, such as by exposure to temperature or UV radiation, to provide adhesive mediated chemical coupling between the FSE 3a respectively. 3b and the leveling layer 6 to effect. In a preferred variant, the steps S5 and S6 can also be carried out simultaneously or as a combined step.

Bei beiden in den 4 bzw. 5 illustrierten Verfahren, können die weiteren Schichten bzw. Elemente 4a, b, und 5a, b in nachfolgenden Schritten ergänzt werden (nicht dargestellt), um die galvanischen Zellen 2a und 2b bzw. eine daraus aufgebaute Batterie 1 herzustellen. Both in the 4 respectively. 5 Illustrated methods, the further layers or elements 4a , Federation 5a , b in subsequent steps are supplemented (not shown) to the galvanic cells 2a and 2 B or a battery built up therefrom 1 manufacture.

Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zu Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird. While at least one exemplary embodiment has been described above, it should be understood that a large number of variations exist. It should also be understood that the described exemplary embodiments are nonlimiting examples only and are not intended to thereby limit the scope, applicability, or configuration of the devices and methods described herein. Rather, the foregoing description will provide those skilled in the art with guidance for implementing at least one example embodiment, it being understood that various changes in the operation and arrangement of the elements described in an exemplary embodiment may be made without departing from the scope of the appended claims deviated from, and its legal equivalents.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Batterie battery
2a, b 2a, b: Galvanische Zellen Galvanic cells
3, 3a, b 3, 3a, b: freistehende Elektroden, insbesondere Anoden free-standing electrodes, in particular anodes
4a, b 4a, b: Separatoren mit Elektrolyt Separators with electrolyte
5a, b 5a, b: Kathoden cathode
6 6: Ausgleichsschicht leveling layer
7a, b 7a, b: SEI-Schichten SEI layers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2015303481 A1 [0003]

Claims

Electrode arrangement for lithium-based galvanic cells ( 2a ), comprising: a first freestanding electrode ( 3a ) containing a first electrode active material; and a leveling layer ( 6 ) containing metallic lithium and with the first electrode ( 3a ) at a first interface between the first electrode ( 3a ) and the leveling layer ( 6 ) is in direct contact so that metallic lithium from the leveling layer ( 6 ) through the first interface into the first electrode ( 3a ) can penetrate.

Electrode assembly according to claim 1, wherein the compensating layer ( 6 ) contains or consists of a metallic lithium foil or surface-coated lithium nanoparticles.

An electrode assembly according to any one of the preceding claims, wherein the first freestanding electrode ( 3a ) and the leveling layer ( 6 ) are mechanically or chemically coupled.

The electrode assembly of claim 3, wherein the mechanical or chemical coupling occurs at least partially at the first interface.

Electrode assembly according to claim 4, wherein, together with the compensating layer ( 6 ) defines the interface defining surface of the first electrode ( 3a ) at least partially has a porous surface structure and the mechanical coupling between the first electrode ( 3a ) and the leveling layer ( 6 ) at least partially by an adhesive engagement of a surface structure of the compensation layer ( 6 ) in the porous surface structure of the first electrode ( 3a ), and / or vice versa, takes place at the first boundary layer.

An electrode assembly according to claim 4, wherein said chemical coupling is at the first interface by means of an adhesive.

Electrode arrangement according to one of the preceding claims, wherein the compensating layer ( 6 ) further comprises a mesh or grid structure with which the leveling layer ( 6 ) is at least partially crossed,

An electrode assembly according to claim 7, wherein the mesh or grid structure contains or consists essentially of copper.

An electrode assembly according to any one of the preceding claims, further comprising: a second freestanding electrode ( 3b ) at a second interface, which is different from the first interface, between the second electrode (FIG. 3b ) and the leveling layer ( 6 ) is in direct contact with it, so that the first and the second electrode ( 3a . 3b ) through the leveling layer ( 6 ) are electrically conductively connected and metallic lithium from the leveling layer ( 6 ) through the second interface into the second electrode ( 3b ) can penetrate.

Lithium-based galvanic cell ( 2a ), comprising: an electrode assembly according to any one of the preceding claims; a first counterelectrode ( 5a ) with one of the first electrode ( 3a ) different, second electrode active material; and one between the first electrode ( 3a ) and the first counterelectrode ( 5a ) arranged first separator ( 4a ); wherein the first interface and that between the first electrode ( 3a ) and the first separator ( 4a ) occurring contact surface are different.

Lithium-based battery ( 1 ), comprising: at least two galvanic cells ( 2a . 2 B ) according to claim 10; and at least one electrode assembly according to claim 9; wherein: the first freestanding electrode ( 3a ) of the electrode assembly, an electrode of a first of the cells ( 2a ); the second freestanding electrode ( 3b ) of the electrode assembly, an electrode of a second, to the first adjacent of the cells ( 2 B ); and these two freestanding electrodes ( 3a . 3b ) over the leveling layer ( 6 ) of the electrode assembly are electrically connected together.

Battery ( 1 ) according to claim 11, wherein the leveling layer ( 6 ) contains a slurry containing both an adhesive and surface-coated lithium nanoparticles, and between the two free-standing electrodes ( 3a . 3b ) is formed by means of the adhesive, a chemical bond.

Method for producing an electrode arrangement for lithium-based galvanic cells ( 2a . 2 B ), in particular for producing an electrode arrangement according to one of claims 1 to 9, comprising the following steps: providing (S1) a freestanding electrode ( 3a ) containing an electrode active material; and applying (S2) a compensation layer ( 6 ) containing metallic lithium on a surface of the electrode ( 3a ), so that an interface between the electrode ( 3a ) and the leveling layer ( 6 ), in which both are in direct contact with each other, and metallic lithium from the leveling layer ( 6 ) through the first interface into the first electrode ( 3a ) can penetrate.

The method of claim 13, wherein: together with the balancing layer ( 6 ) the surface defining surface of the electrode ( 3a ) has at least partially a porous surface structure; the leveling layer ( 6 ) contains or consists of a metallic lithium foil; and a mechanical coupling between the electrode ( 3a ) and the leveling layer ( 6 ) is achieved by applying to the lithium foil a mechanical pressure which applies the foil to the surface of the electrode ( 3a ) so that the lithium foil deforms while engaging in the porous surface structure of the electrode, and / or vice versa.

Method according to claim 13 or 14, wherein the compensation layer ( 6 ) contains surface-coated lithium nanoparticles; and a chemical coupling between the electrode ( 3a ) and the leveling layer ( 6 ) is achieved at the interface by using an adhesive as a component of at least one with the electrode ( 3a ) coming in contact area of the balancing layer ( 6 ) and / or additionally on at least one surface of the electrode defining the interface to be formed 3a ) and the leveling layer ( 6 ) is applied so that, however, metallic lithium from the leveling layer ( 6 ) through the interface into the electrode ( 3a ) can penetrate.