DE102022204036B4

DE102022204036B4 - Elektrode für einen elektrischen Energiespeicher, elektrischer Energiespeicher, Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für einen elektrischen Energiespeicher

Info

Publication number: DE102022204036B4
Application number: DE102022204036.8A
Authority: DE
Inventors: Stephan Leonhard Koch; Miriam Kunze
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-04-26
Filing date: 2022-04-26
Publication date: 2023-11-23
Anticipated expiration: 2042-04-27
Also published as: DE102022204036A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode (3,7) für einen elektrischen Energiespeicher (1), mit einer Elektrodenaktivmaterialschicht (5,9), die zumindest ein Elektrodenaktivmaterial (6,10) und ein polymeres Bindemittel (18,14) aufweist. Es ist vorgesehen, dass das polymere Bindemittel (18,14) derart elektrochemisch aktiv ausgebildet ist, dass es zu einer Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht (5,9) beiträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für einen elektrischen Energiespeicher, mit einer Elektrodenaktivmaterialschicht, die zumindest ein Elektrodenaktivmaterial und ein polymeres Bindemittel aufweist., wobei das polymere Bindemittel derart elektrochemisch aktiv ausgebildet ist, dass es zu einer Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht beiträgt.
Außerdem betrifft die Erfindung einen elektrischen Energiespeicher.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für einen elektrischen Energiespeicher.
Elektrische Energiespeicher gelten heutzutage insbesondere in der Elektromobilität als Schlüsseltechnologie. Ziel aktueller Entwicklungen ist es, elektrische Energiespeicher beispielsweise hinsichtlich der Herstellungskosten, des Gewichts, der Energiedichte, der Lebensdauer und der Ladegeschwindigkeit zu optimieren.
Ein elektrischer Energiespeicher weist als Elektroden zumindest eine positive Elektrode beziehungsweise Kathode und zumindest eine negative Elektrode beziehungsweise Anode auf. Die Elektroden weisen typischerweise eine Elektrodenaktivmaterialschicht mit zumindest einem Elektrodenaktivmaterial auf, wobei die Kathode ein Kathodenaktivmaterial aufweist und die Anode ein Anodenaktivmaterial. Wird der Energiespeicher geladen, so gibt das Kathodenaktivmaterial Elektronen ab und das Anodenaktivmaterial nimmt Elektronen auf. Wird der Energiespeicher entladen, so nimmt das Anodenaktivmaterial Elektronen auf und das Kathodenaktivmaterial gibt Elektronen ab. Eine Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschichten korrespondiert dabei mit der Menge an Elektronen, welche das Elektrodenaktivmaterial abgeben beziehungsweise aufnehmen kann. Oftmals ist zusätzlich zu dem Elektrodenaktivmaterial auch ein polymeres Bindemittel in der Elektrodenaktivmaterialschicht vorhanden. Durch das polymere Bindemittel wird ein innerer Zusammenhalt der Elektrodenaktivmaterialschicht gesteigert. Ist die Elektrodenaktivmaterialschicht auf einem Stromsammler angeordnet, so kann durch das polymere Bindemittel auch die Anhaftung der Elektrodenaktivmaterialschicht an dem Stromsammler verstärkt werden.
Dabei ist es bekannt, ein polymeres Bindemittel einzusetzen, das zusätzlich zu seiner Funktion als Bindemittel auch zumindest eine weitere Funktion erfüllt. Beispielsweise offenbart die Offenlegungsschrift DE 10 2015 206 146 A1 den Einsatz eines intrinsisch elektrisch leitfähigen Polymers als Bindemittel.
Aus der Druckschrift JP 2014 - 71 965 A ist eine Elektrode für eine Batterie mit hoher Kapazität bekannt, in der eine Lithiumkomplexverbindung auf Nichtoxidbasis mit geringer Leitfähigkeit als positives Elektrodenmaterial verwendet wird. Dabei werden eine Lithiumkomplexverbindung auf Phosphat- oder Silikatbasis und ein Anionen adsorbierendes Material in einer positiven Elektrode als positives Elektrodenmaterial verwendet. Als das Anionen adsorbierende Material wird zumindest ein Halbleiterpolymer vom p-Typ, eine organische Verbindung eines Elektronenakzeptors oder Aktivkohle verwendet.
Eine weitere Elektrode ist aus der Druckschrift DE 10 2019 206 131 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die gravimetrische Energiedichte der Elektrodenaktivmaterialschicht gesteigert und zudem eine Schutzfunktion für das Elektrodenaktivmaterial realisiert wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Elektrode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass das Elektrodenaktivmaterial ein unteres Schlusspotential und ein oberes Schlusspotential aufweist, wobei ein Redoxpotential des polymeren Bindemittels höchstens 50 mV kleiner ist als das obere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials oder höchstens 50 mV größer ist als das untere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials.
Das polymere Bindemittel sorgt zusätzlich zu seiner Funktion als Bindemittel auch dafür, dass die Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht gesteigert wird, insbesondere unabhängig von dem Elektrodenaktivmaterial. Ist die Elektrode eine Kathode, so gibt das polymere Bindemittel aufgrund seiner elektrochemischen Aktivität beim Laden des Energiespeichers Elektronen ab und nimmt beim Entladen des Energiespeichers Elektronen auf. Ist die Elektrode jedoch eine Anode, so nimmt das polymere Bindemittel aufgrund seiner elektrochemischen Aktivität beim Laden des Energiespeichers Elektronen auf und gibt beim Entladen des Energiespeichers Elektronen ab. Hierdurch kommt der Beitrag des polymeren Bindemittels zu der Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht zustande. Vorzugsweise weist das polymere Bindemittel hierzu ein Strukturelement auf, das elektrochemisch aktiv ausgebildet ist. Das polymere Bindemittel trägt also aufgrund des Strukturelementes zu der Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht bei. Vorzugsweise ist die Elektrode eine Elektrode für eine Lithiumionenzelle. Die Elektrode kann jedoch auch in anderen Arten von galvanischen Zellen verwendet werden. Insbesondere ist die Elektrode eine Kathode. Das Elektrodenaktivmaterial ist dann vorzugsweise ein anorganisches Kathodenaktivmaterial aus der Gruppe umfassend Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (LNMC), Lithium-Nickel-Mangan-Oxid (LNMO), LiCoPO₄, Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) sowie deren Mischungen. Alternativ dazu ist die Elektrode eine Anode. Das Elektrodenaktivmaterial ist dann vorzugsweise ein Anodenaktivmaterial aus der Gruppe umfassend Graphit, Silizium, Lithiumtitanat sowie deren Mischungen. Ist die Elektrode eine Elektrode für eine Lithiumionenzelle, so ist das polymere Bindemittel vorzugsweise dazu ausgebildet, Lithiumionen zu speichern, beispielsweise durch Einlagerung von Lithiumionen zwischen benachbarte Polymere beziehungsweise Makromoleküle des polymeren Bindemittels. Vorzugsweise ist die Elektrodenaktivmaterialschicht auf einen Stromsammler aufgebraucht, wobei der Stromsammler besonders bevorzugt eine Aluminiumfolie oder eine Kupferfolie ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Elektrode vorzugsweise eine freistehende Elektrodenaktivmaterialschicht auf, sodass die Elektrode dann stromsammlerfrei ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Elektrodenaktivmaterial ein unteres Schlusspotential und ein oberes Schlusspotential aufweist, und dass ein Redoxpotential des polymeren Bindemittels größer als das untere Schlusspotential und kleiner als das obere Schlusspotential ist. Die Schlusspotentiale definieren einen Potentialbereich des Elektrodenaktivmaterials, in dem eine Beschädigung des Elektrodenaktivmaterials nicht zu erwarten ist. Insofern definieren die Schlusspotentiale einen sicheren Potential-Betriebsbereich. Wird das untere Schlusspotential unterschritten oder das obere Schlusspotential überschritten, so ist jedoch eine Beschädigung des Elektrodenaktivmaterials möglich. Weil das Redoxpotential des polymeren Bindemittels in dem Potential-Betriebsbereich liegt, wird das polymere Bindemittel bei elektrischen Potentialen oxidiert beziehungsweise reduziert, bei denen mit einer Beschädigung des Elektrodenaktivmaterials nicht zu rechnen ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Redoxpotential des polymeren Bindemittels höchstens 50 mV, besonders bevorzugt höchstens 30 mV, kleiner ist als das obere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials. Durch ein derartiges Redoxpotential wird durch das Bindemittel eine Schutzfunktion für das Elektrodenaktivmaterial realisiert. Ist das Elektrodenaktivmaterial ein Kathodenaktivmaterial, so wird das Kathodenaktivmaterial durch ein Redoxpotential, das höchstens 50 mV kleiner ist als das obere Schlusspotential, beim Laden vor einer Überladung geschützt. Beispielsweise ist das Kathodenaktivmaterial ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (LNMC). Dieses Kathodenaktivmaterial weist ein oberes Schlusspotential von etwa 4,3 V auf. Das Redoxpotential des polymeren Bindemittels beträgt dann zumindest 4,25 V, besonders bevorzugt zumindest 4,27 V. Ist das Elektrodenaktivmaterial ein Anodenaktivmaterial, so wird das Anodenaktivmaterial durch ein Redoxpotential, das höchstens 50 mV kleiner ist als das obere Schlusspotential, im Betrieb beziehungsweise beim Entladen vor einer unerwünschten Tiefenentladung geschützt. Beispielsweise ist das Anodenaktivmaterial Silizium. Dieses Anodenaktivmaterial weist ein oberes Schlusspotential von etwa 1 V auf. Das Redoxpotential des polymeren Bindemittels beträgt dann zumindest 0,95 V, besonders bevorzugt zumindest 0,97 V. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Redoxpotential des polymeren Bindemittels höchstens 50 mV, besonders bevorzugt höchstens 30 mV, größer ist als das untere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials. Auch durch ein derartiges Redoxpotential kann durch das Bindemittel eine Schutzfunktion für das Elektrodenaktivmaterial realisiert werden. Ist das Elektrodenaktivmaterial ein Kathodenaktivmaterial, so wird das Kathodenaktivmaterial durch ein Redoxpotential, das höchstens 50 mV größer ist als das untere Schlusspotential, im Betrieb vor einer unerwünschten Tiefenentladung geschützt. Beispielsweise ist das Kathodenaktivmaterial ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (LNMC). Dieses Kathodenaktivmaterial weist ein unteres Schlusspotential von etwa 3,6 V auf. Das Redoxpotential des polymeren Bindemittels beträgt dann höchstens 3,65 V, besonders bevorzugt höchstens 3,63 V. Ist das Elektrodenaktivmaterial ein Anodenaktivmaterial, so wird das Anodenaktivmaterial durch ein Redoxpotential, das höchstens 50 mV größer ist als das untere Schlusspotential, beim Laden vor einer Überladung geschützt. Beispielsweise ist das Anodenaktivmaterial Silizium. Dieses Anodenaktivmaterial weist ein unteres Schlusspotential von etwa 0,05 V auf. Das Redoxpotential des polymeren Bindemittels beträgt dann höchstens 0,10 V, besonders bevorzugt höchstens 0,08 V.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das polymere Bindemittel eine spezifische Kapazität von zumindest 5 mAh/g aufweist. Durch eine derartige spezifische Kapazität wird durch das polymere Bindemittel eine substantielle Steigerung der Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht erreicht. Besonders bevorzugt weist das polymere Bindemittel eine spezifische Kapazität von zumindest 10 mAh/g auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das polymere Bindemittel zumindest eine Monomerart mit dem elektrochemisch aktiv ausgebildeten Strukturelement aufweist. Das polymere Bindemittel weist Polymere beziehungsweise Makromoleküle auf. Ein Polymer besteht aus einer Vielzahl von polymerisierten Monomeren. Bei den Monomeren kann es sich dabei um Monomere nur einer Monomerart oder um Monomere mehrerer verschiedener Monomerarten handeln. Ist das elektrochemisch aktive Strukturelement Teil der Monomere zumindest einer Monomerart des Bindemittels, so kann eine große Anzahl an elektrochemisch aktiven Strukturelementen einfach in das polymere Bindemittel eingebracht werden. Hierdurch kann entsprechend auch eine große Steigerung der Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht durch das polymere Bindemittel erreicht werden.
Vorzugsweise weist das Strukturelement ein delokalisiertes π-Elektronen-System auf. Strukturelemente mit delokalisiertem π-Elektronen-System sind oftmals zur Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Elektronen besonders geeignet, weil die π-Elektronen-Systeme die Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Elektronen resonanzstabilisieren können.
Vorzugsweise weist das delokalisierte π-Elektronen-System zumindest ein Stickstoffatom auf. Es hat sich herausgestellt, dass π-Elektronen-Systeme mit einem Stickstoffatom zur Aufnahme und Abgabe von Elektronen im Betrieb eines Energiespeichers besonders geeignet sind. Beispielsweise gibt das π-Elektronen-Systeme beim Laden des Energiespeichers zumindest ein Elektron unter Ausbildung eines Radialkations ab. Beim Entladen nimmt das Radikalkation dann entsprechend zumindest ein Elektron auf. Vorzugsweise ist das π-Elektronen-System ein Heteroaromat oder weist zumindest einen Heteroaromat auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Strukturelement ein Triphenylamin-Derivat, ein Porphyrin-Derivat oder ein Naphthalin-Derivat ist. Diese Strukturelemente sind insbesondere aufgrund ihres Redoxpotentials zur Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Elektronen besonders geeignet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Kristallinitätsgrad des polymeren Bindemittels zwischen 30% und 70% liegt. Die Polymere beziehungsweise Makromoleküle des polymeren Bindemittels weisen also eine partielle kristallartige Ordnung auf. Der Kristallinitätsgrad bezeichnet dabei den kristallartig geordneten Anteil des polymeren Bindemittels. Bereiche des polymeren Bindemittels mit einer kristallartigen Ordnung sind zur Speicherung von Lithiumionen besonders geeignet, beispielsweise werden Lithiumionen in Kristalldefekten dieser Bereiche gespeichert. Insofern ist ein derart hoher Kristallinitätsgrad vorteilhaft. Amorphe Bereiche des polymeren Bindemittels verbessern hingegen den Transport von Lithiumionen innerhalb der Elektrodenaktivmaterialschicht. Besonders bevorzugt liegt der Kristallinitätsgrad zwischen 40% und 70%. Der Kristallinitätsgrad kann durch verschiedene Verfahren ermittelt beziehungsweise überprüft werden, beispielsweise durch Ermitteln der Schmelzenthalpie des polymeren Bindemittels, durch Ermitteln der Dichte des polymeren Bindemittels oder durch Röntgenbeugungsanalysen. Der Kristallinitätsgrad von zumindest 30% kann dabei auf verschiedene Arten erreicht werden. Beispielsweise weisen die Polymere beziehungsweise Makromoleküle des polymeren Bindemittels zur Steigerung des Kristallinitätsgrads eine geringe Anzahl an Seitenketten auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Massenanteil des polymeren Bindemittels bezogen auf die Gesamtmasse der Elektrodenaktivmaterialschicht 0,5% bis 10% beträgt, besonders bevorzugt 1% bis 4%. Bei einem derartigen Massenanteil wird eine Elektrodenaktivmaterialschicht mit einer ausreichenden Festigkeit erhalten.
Der erfindungsgemäße Energiespeicher zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 10 durch zumindest eine erfindungsgemäße Elektrode aus. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie den Ansprüchen. Vorzugsweise ist der Energiespeicher als Lithiumionenzelle ausgebildet. Ist nur eine erfindungsgemäße Elektrode vorhanden, so kann die Elektrode sowohl eine Anode als auch eine Kathode des Energiespeichers sein. Insbesondere weist der Energiespeicher zumindest zwei erfindungsgemäße Elektroden auf, wobei eine der Elektroden eine Kathode ist und die andere eine Anode.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 11 dadurch aus, dass zur Herstellung der Elektrode eine Elektrodenaktivmaterialschicht gefertigt wird, die zumindest ein Elektrodenaktivmaterial und ein polymeres Bindemittel aufweist, das derart elektrochemisch aktiv ausgebildet ist, dass es zu der Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht beiträgt. Weiterhin ist vorgesehen, dass das Elektrodenaktivmaterial ein unteres Schlusspotential und ein oberes Schlusspotential aufweist, wobei ein Redoxpotential des polymeren Bindemittels höchstens 50 mV kleiner ist als das obere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials oder höchstens 50 mV größer ist als das untere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Vorzugsweise wird als Elektrode eine Kathode gefertigt, wobei dann ein Kathodenaktivmaterial eingesetzt wird. Alternativ dazu wird als Elektrode vorzugsweise eine Anode gefertigt, wobei dann ein Anodenaktivmaterial eingesetzt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Elektrodenschlicker bereitgestellt wird, der das Elektrodenaktivmaterial und das polymere Bindemittel aufweist, und dass die Elektrodenaktivmaterialschicht aus dem Elektrodenschlicker gefertigt wird. Das polymere Bindemittel ist also bereits in Form von Polymeren beziehungsweise Makromolekülen in dem Elektrodenschlicker vorhanden. Entsprechend können die Polymere unabhängig von dem Elektrodenaktivmaterial vorgefertigt werden, wodurch eine besonders präzise Steuerung der Ausbildung der Polymere möglich ist. Vorzugsweise wird das polymere Bindemittel in einem Lösemittel oder einem Lösemittelgemisch des Elektrodenschlickers gelöst oder suspendiert. Wird das polymere Bindemittel suspendiert, so bleibt die Nahordnung des polymeren Bindemittels in dem Elektrodenschlicker erhalten. Wird das polymere Bindemittel gelöst, so ergibt sich der Vorteil, dass eine besonders gleichmäßige Verteilung des polymeren Bindemittels in der Elektrodenaktivmaterialschicht erhalten werden kann. Das Elektrodenaktivmaterial wird vorzugsweise in dem Lösemittel beziehungsweise dem Lösemittelgemisch suspendiert.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorzugsweise vorgesehen, dass ein Elektrodenschlicker bereitgestellt wird, der das Elektrodenaktivmaterial und polymerisierbare Monomere zumindest einer Monomerenart aufweist, dass der Elektrodenschlicker als Elektrodenaktivmaterialschicht auf einen Stromsammler aufgebracht wird, und dass die Monomere derart polymerisiert werden, dass das polymere Bindemittel erhalten wird. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Menge an Lösungsmittel in dem Elektrodenschlicker zumindest verringert werden kann. Der Elektrodenschlicker weist polymerisierbare Monomere zumindest einer Monomerart auf, also Monomere nur einer Monomerart oder ein Monomergemisch mit Monomeren mehrerer verschiedener Monomerarten. Vorzugsweise sind die verwendeten Monomere der nur einen Monomerart oder das verwendete Monomergemisch flüssig. Bei Verwendung von flüssigen Monomeren beziehungsweise eines flüssigen Monomergemischs kann auf den Einsatz eines Lösemittels insgesamt verzichtet werden. Insbesondere weist der Elektrodenschlicker abgesehen von den flüssigen Monomeren der nur einen Monomerart beziehungsweise dem flüssigen Monomergemisch keine flüssigen Bestandteile auf. Ist ein Monomergemisch vorhanden, so polymerisieren die verschiedenen Monomere des Monomergemischs vorzugsweise unter Ausbildung eines Copolymers. Vorzugsweise wird die Polymerisation der Monomere erst nach Auftragen des Elektrodenschlickers auf den Stromsammler initiiert. Alternativ dazu wird die Polymerisation der Monomere beispielsweise bereits während des Auftragens auf den Stromsammler initiiert.
Vorzugsweise wird die Polymerisation der Monomere durch UV-Strahlung initiiert. Die Monomere werden zur Polymerisation also mit UV-Strahlung beaufschlagt. Die Polymerisation mittels UV-Strahlung bietet den Vorteil, dass keine sonstigen Substanzen wie beispielsweise ein Radikalstarter in die Elektrodenaktivmaterialschicht eingebracht werden müssen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen

1 einen elektrischen Energiespeicher,
2 ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode des Energiespeichers und
3 ein weiteres Verfahren zum Herstellen der Elektrode.

1 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 1 in einer vereinfachten Darstellung. Vorliegend ist der Energiespeicher 1 als Lithiumionenzelle 1 ausgebildet. Der Energiespeicher 1 weist ein Gehäuse 2 auf. Vorliegend ist das Gehäuse 2 beutelförmig beziehungsweise als flexibler Gehäusebeutel 2 ausgebildet. Der Energiespeicher 1 ist entsprechend als Pouch-Bag-Zelle 1 ausgebildet. Der Energiespeicher 1 kann jedoch auch eine andere Art von Gehäuse 2 aufweisen.
Der Energiespeicher 1 weist eine negative Elektrode 3 beziehungsweise Anode 3 auf. Die Anode 3 weist einen Stromsammler 4 auf, bei dem es sich vorliegend um eine Kupferfolie 4 handelt. Auf dem Stromsammler 4 ist eine Anodenaktivmaterialschicht 5 ausgebildet. Die Anodenaktivmaterialschicht 5 weist zumindest ein Anodenaktivmaterial 6 auf. Vorliegend weist die Anodenaktivmaterialschicht 5 als Anodenaktivmaterial 6 Silizium auf. Der Energiespeicher 1 weist außerdem eine positive Elektrode 7 beziehungsweise Kathode 7 auf. Die Kathode 7 weist einen Stromsammler 8 auf, bei dem es sich vorliegend um eine Aluminiumfolie 8 handelt. Auf dem Stromsammler 8 ist eine Kathodenaktivmaterialschicht 9 ausgebildet. Die Kathodenaktivmaterialschicht 9 weist zumindest ein Kathodenaktivmaterial 10 auf. Vorzugsweise ist das Kathodenaktivmaterial 10 ein anorganisches Kathodenaktivmaterial 10 aus der Gruppe umfassend Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (LNMC), Lithium-Nickel-Mangan-Oxid (LNMO), LiCoPO₄, Lithium-Cobalt-Oxid (LCO), Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) sowie deren Mischungen. Vorliegend ist das Kathodenaktivmaterial 10 ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid. Die Stromsammler 4 und 8 ragen zur elektrischen Kontaktierung der Anode 3 sowie der Kathode 7 aus dem Gehäuse 2 heraus. Der Energiespeicher 1 weist außerdem einen Separator 11 auf, der zwischen der Anode 3 und der Kathode 7 wirkt. Der Separator 11 ist derart in dem Gehäuse 2 angeordnet, dass er die Anode 3 und die Kathode 7 räumlich und elektrisch voneinander trennt. Der Energiespeicher 1 weist außerdem einen vorliegend flüssigen Elektrolyt 12 auf, der in das Gehäuse 2 eingefüllt ist. Der Elektrolyt 12 weist Lithiumionen 13 auf, die in 1 stark vergrößert dargestellt sind. Wird der Energiespeicher 1 entladen, so gibt das Anodenaktivmaterial 6 Elektronen ab. Das Kathodenaktivmaterial 10 nimmt die Elektronen auf und es lagern sich Lithiumionen 13 in das Kathodenaktivmaterial 10 ein. Wird der Energiespeicher 1 geladen, so gibt das Kathodenaktivmaterial 10 Elektronen und Lithiumionen 13 ab. Das Anodenaktivmaterial 6 nimmt Elektronen auf. Die Menge an Elektronen, die das Kathodenaktivmaterial 10 und das Anodenaktivmaterial 6 abgeben beziehungsweise aufnehmen können, korrespondiert mit dem Beitrag des Kathodenaktivmaterials 10 zur Kapazität der Kathodenaktivmaterialschicht 9 beziehungsweise dem Beitrag des Anodenaktivmaterials 6 zur Kapazität der Anodenaktivmaterialschicht 6.
Die Kathodenaktivmaterialschicht 9 weist außerdem ein polymeres Bindemittel 14 auf, das in der Kathodenaktivmaterialschicht 9 zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist. Der Massenanteil des polymeren Bindemittels 14 beträgt bezogen auf die Gesamtmasse der Kathodenaktivmaterialschicht 10 zwischen 0,5% und 10%, vorzugsweise zwischen 1% und 4%. Das polymere Bindemittel 14 ist aus Polymeren beziehungsweise Makromolekülen aufgebaut und steigert als Bindemittel zum einen den inneren Zusammenhalt der Kathodenaktivmaterialschicht 9 und zum anderen die Anhaftung der Kathodenaktivmaterialschicht 9 an dem Stromsammler 8. Das polymere Bindemittel 14 der Kathodenaktivmaterialschicht 9 ist derart elektrochemisch aktiv ausgebildet, dass es zu der Kapazität der Kathodenaktivmaterialschicht 9 beiträgt. Das Bindemittel 14 wirkt also als eine Art polymeres oder organisches Kathodenaktivmaterial. Die Kapazität der Kathodenaktivmaterialschicht 9 wird also nicht nur durch die Art und Menge des Kathodenaktivmaterials 10 definiert, sondern auch durch die Art und Menge des polymeren Bindemittels 14. Insofern ist das polymere Bindemittel 14 dazu ausgebildet, beim Entladen des Energiespeichers 1 Elektronen aufzunehmen und beim Laden des Energiespeichers 1 aufgenommene Elektronen abzugeben. Hierzu weist das polymere Bindemittel 14 ein Strukturelement mit einem Redoxpotential auf, das zwischen einem unteren Schlusspotential des Kathodenaktivmaterials 10 und einem oberen Schlusspotential des Kathodenaktivmaterials 10 liegt. Vorliegend ist das Kathodenaktivmaterial 10 wie zuvor erwähnt wurde ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid und weist insofern ein unteres Schlusspotential von 3,6 V und ein oberes Schlusspotential von 4,3 V auf. Entsprechend liegt das Redoxpotential des polymeren Bindemittels 14 zwischen 3,6 V und 4,3 V. Vorzugsweise ist das Redoxpotential höchstens 50 mV kleiner als das obere Schlusspotential, besonders bevorzugt höchstens 30 mV. Bei einem derartigen Redoxpotential wird das Kathodenaktivmaterial 10 beim Laden durch das polymere Bindemittel 14 vor einer Überladung geschützt. Alternativ dazu ist das Redoxpotential vorzugsweise höchstens 50 mV größer als das untere Schlusspotential, besonders bevorzugt höchstens 30 mV. Bei einem derartigen Redoxpotential wird das Kathodenaktivmaterial 10 im Betrieb durch das polymere Bindemittel 14 vor einer Tiefenentladung geschützt. Geeignete elektrochemisch aktive Strukturelemente sind beispielsweise solche, die ein delokalisiertes π-Elektronen-System aufweisen. Derartige Strukturelemente können die Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Elektronen resonanzstabilisieren. Vorzugsweise weist das π-Elektronen-System zumindest ein Stickstoffatom auf. Derartige π-Elektronen-Systeme sind besonders geeignet, ein Elektron unter Ausbildung eines Radikalkations abzugeben. Besonders bevorzugt ist das Strukturelement ein Triphenylamin-Derivat, ein Porphyrin-Derivat oder ein N aphthal i n- Derivat.
Wie zuvor erwähnt wurde, ist das polymere Bindemittel 14 aus Polymeren aufgebaut. Ein Polymer wiederum ist aus einer Vielzahl von Monomeren aufgebaut. Dabei können sowohl Monomere nur einer Monomerart als auch Monomere mehrerer verschiedener Monomerarten vorhanden sein. Vorzugsweise weisen die Monomere zumindest einer Monomerart des Polymers das zuvor erwähnte elektrochemisch aktiv ausgebildete Strukturelement auf. Dies ermöglicht es, eine große Anzahl an elektrochemisch aktiv ausgebildeten Strukturelementen in das polymere Bindemittel 14 einzubringen. Hierdurch wird eine effektive Steigerung der Kapazität der Kathodenaktivmaterialschicht 9 erreicht. Vorzugsweise weist das polymere Bindemittel 14 eine spezifische Kapazität von zumindest 5 mAh/g auf, besonders bevorzugt eine spezifische Kapazität von zumindest 10 mAh/g. Vorzugsweise weist das polymere Bindemittel 14 einen Kristallinitätsgrad von 30% bis 70% auf. Bei einem derartigen Kristallinitätsgrad kann eine große Menge an Lithiumionen in dem polymeren Bindemittel 14 gespeichert werden.
Die Anodenaktivmaterialschicht 5 weist ein polymeres Bindemittel 18 auf. Der Massenanteil des polymeren Bindemittels 18 beträgt bezogen auf die Gesamtmasse der Anodenaktivmaterialschicht 6 zwischen 0,5% und 10%, vorzugsweise zwischen 1% und 4%. Auch das polymere Bindemittel 18 der Anodenaktivmaterialschicht 5 ist derart elektrochemisch aktiv ausgebildet, dass es zu der Kapazität der Anodenaktivmaterialschicht 5 beiträgt. Das polymere Bindemittel 18 ist also dazu ausgebildet, beim Entladen des Energiespeichers 1 Elektronen abzugeben und beim Laden des Energiespeichers 1 Elektronen aufzunehmen. Das polymere Bindemittel 18 weist hierzu ein Strukturelement mit einem Redoxpotential auf, das zwischen einem unteren Schlusspotential und einem oberen Schlusspotential des Anodenaktivmaterials 6 liegt. Vorliegend ist das Anodenaktivmaterial 6 wie zuvor erwähnt wurde Silizium und weist insofern ein unteres Schlusspotential von 0,05 V und ein oberes Schlusspotential von 1 V auf. Entsprechend liegt das Redoxpotential des polymeren Bindemittels 18 zwischen 0,05 V und 1 V. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Redoxpotential höchstens 50 mV kleiner als das obere Schlusspotential, besonders bevorzugt höchstens 30 mV. Bei einem derartigen Redoxpotential wird das Anodenaktivmaterial 6 im Betrieb beziehungsweise beim Entladen durch das polymere Bindemittel 18 vor einer Tiefenentladung geschützt. Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist das Redoxpotential vorzugsweise höchstens 50 mV größer als das untere Schlusspotential, besonders bevorzugt höchstens 30 mV. Bei einem derartigen Redoxpotential wird das Anodenaktivmaterial 6 beim Laden durch das polymere Bindemittel 18 vor einer Überladung geschützt. Geeignete elektrochemisch aktive Strukturelemente sind wie zuvor erwähnt wurde beispielsweise solche, die ein delokalisiertes π-Elektronen-System aufweisen. Vorzugsweise weist das π-Elektronen-System zumindest ein Stickstoffatom auf. Besonders bevorzugt ist das Strukturelement ein Triphenylamin-Derivat, ein Porphyrin-Derivat oder ein Naphthalin-Derivat. Vorzugsweise weist das polymere Bindemittel 18 eine spezifische Kapazität von zumindest 5 mAh/g auf, besonders bevorzugt eine spezifische Kapazität von zumindest 10 mAh/g.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist nur das polymere Bindemittel 14 der Kathodenaktivmaterialschicht 9 oder nur das polymere Bindemittel 18 der Anodenaktivmaterialschicht 6 elektrochemisch aktiv ausgebildet. Im Folgenden wird mit Bezug auf 2 ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen der Kathode 7 näher erläutert. 2 zeigt das Verfahren anhand eines Flussdiagramms.
In einem ersten Schritt S1 wird ein Elektrodenschlicker 15 bereitgestellt. Vorliegend wird der Elektrodenschlicker 15 dadurch bereitgestellt, dass das Kathodenaktivmaterial 10 in einem Lösemittel 16 suspendiert wird, und dass das elektrochemisch aktiv ausgebildete polymere Bindemittel 14 in dem Lösemittel 16 gelöst wird. Alternativ dazu wird auch das polymere Bindemittel 14 in dem Lösemittel 16 suspendiert.
In einem zweiten Schritt S2 wird der Stromsammler 8 bereitgestellt.
In einem dritten Schritt S3 wird der Elektrodenschlicker 15 als Kathodenaktivmaterialschicht 9 auf den Stromsammler 8 aufgebracht, beispielsweise mittels einer Schlitzdüse. An den dritten Schritt S3 kann sich zumindest ein optionaler weiterer Verfahrensschritt anschließen. Beispielsweise wird die Kathodenaktivmaterialschicht 9 im Anschluss an den dritten Schritt S3 getrocknet und/oder kalandriert.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 3 ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen der Kathode 7 näher erläutert. 3 zeigt das Verfahren anhand eines Flussdiagramms.
In einem ersten Schritt V1 wird ein Elektrodenschlicker 15 bereitgestellt, der das Kathodenaktivmaterial 10 und polymerisierbare Monomere 17 zumindest einer Monomerart aufweist, Insbesondere weist der Elektrodenschlicker 15 polymerisierbare Monomere nur einer Monomerart auf. Alternativ dazu weist der Elektrodenschlicker 15 ein Monomergemisch mit Monomeren mehrerer verschiedener Monomerarten auf. Zumindest die Monomere einer der Monomerarten weisen das elektrochemisch aktiv ausgebildete Strukturelement auf. Vorzugsweise sind die Monomere 17 beziehungsweise das Monomergemisch flüssig. Dies hat den Vorteil, dass auf sonstige Flüssigkeiten beziehungsweise Lösemittel in dem Elektrodenschlicker 15 verzichtet werden kann. Vorliegend ist der Elektrodenschlicker 15 lösemittelfrei. Das Kathodenaktivmaterial 10 ist in den flüssigen Monomeren 17 suspendiert.
In einem zweiten Schritt V2 wird der Stromsammler 8 bereitgestellt.
In einem dritten Schritt V3 wird der Elektrodenschlicker 15 als Kathodenaktivmaterialschicht 9 auf den Stromsammler 8 aufgebracht, beispielsweise mittels einer Schlitzdüse.
In einem vierten Schritt V4 werden die Monomere 17 derart polymerisiert, dass das polymere Bindemittel 14 erhalten wird. Beispielsweise wird die Polymerisierung der Monomere 17 in dem vierten Schritt V4 durch Beaufschlagen der Monomere 17 mit UV-Strahlung initiiert. Vorzugsweise wird hierzu eine benachbart zu der zuvor erwähnten Schlitzdüse angeordnete UV-Strahlungsquelle verwendet. An den vierten Schritt V4 kann sich zumindest ein optionaler weiterer Verfahrensschritt anschließen. Beispielsweise wird die positive Elektrodenaktivmaterialschicht 5 im Anschluss an den vierten Schritt V4 getrocknet und/oder kalandriert.
Vorstehend wurden mit Bezug auf die 2 und 3 Verfahren zum Herstellen der Kathode 7 näher erläutert. Soll stattdessen die Anode 3 hergestellt werden, so kann entsprechend vorgegangen werden. Anstelle des Kathodenaktivmaterials 10 wird dann das Anodenaktivmaterial 6 eingesetzt. Bei dem in 2 dargestellten Verfahren wird zudem anstelle des polymeren Bindemittels 14 das polymere Bindemittel 18 eingesetzt. Bei dem in 3 dargestellten Verfahren werden Monomere 17 für das polymere Bindemittel 18 eingesetzt.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicher
2: Gehäuse
3: Anode
4: Stromsammler
5: Anodenaktivmaterialschicht
6: Anodenaktivmaterial
7: Kathode
8: Stromsammler
9: Kathodenaktivmaterialschicht
10: Kathodenaktivmaterial
11: Separator
12: Elektrolyt
13: Lithiumionen
14: Polymeres Bindemittel
15: Elektrodenschlicker
16: Lösemittel
17: Monomer
18: Polymeres Bindemittel

Claims

Elektrode für einen elektrischen Energiespeicher, mit einer Elektrodenaktivmaterialschicht (5,9), die zumindest ein Elektrodenaktivmaterial (6,10) und ein polymeres Bindemittel (18,14) aufweist, wobei das polymere Bindemittel (18,14) derart elektrochemisch aktiv ausgebildet ist, dass es zu einer Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht (5,9) beiträgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenaktivmaterial (6,10) ein unteres Schlusspotential und ein oberes Schlusspotential aufweist, wobei ein Redoxpotential des polymeren Bindemittels (18,14) höchstens 50 mV kleiner ist als das obere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials (6,10) oder höchstens 50 mV größer ist als das untere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials (6,10).
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Redoxpotential des polymeren Bindemittels (18,14) höchstens 30 mV kleiner ist als das obere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials (6,10) oder dass das Redoxpotential des polymeren Bindemittels (18,14) höchstens 30 mV größer ist als das untere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials (6,10).
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Bindemittel (18,14) eine spezifische Kapazität von zumindest 5 mAh/g aufweist, besonders bevorzugt eine spezifische Kapazität von zumindest 10 mAh/g.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Bindemittel (18,14) zumindest eine Monomerart mit einem elektrochemisch aktiv ausgebildeten Strukturelement aufweist.
Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement ein delokalisiertes π-Elektronen-System aufweist.
Elektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das delokalisierte π-Elektronen-System zumindest ein Stickstoffatom aufweist.
Elektrode nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Strukturelement ein Triphenylamin-Derivat, ein Porphyrin-Derivat oder ein Naphthalin-Derivat ist.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kristallinitätsgrad des polymeren Bindemittels (18,14) zwischen 30% und 70% liegt, besonders bevorzugt zwischen 40% und 70%.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil des polymeren Bindemittels (18,14) bezogen auf die Gesamtmasse der Elektrodenaktivmaterialschicht (5,9) 0,5% bis 10% beträgt, besonders bevorzugt 1% bis 4%.
Elektrischer Energiespeicher, gekennzeichnet durch zumindest eine Elektrode (3,7) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für einen elektrischen Energiespeicher, wobei zur Herstellung der Elektrode (3,7) eine Elektrodenaktivmaterialschicht (5,9) gefertigt wird, die zumindest ein Elektrodenaktivmaterial (6,10) und ein polymeres Bindemittel (18,14) aufweist, das derart elektrochemisch aktiv ausgebildet ist, dass es zu einer Kapazität der Elektrodenaktivmaterialschicht (5,9) beiträgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenaktivmaterial (6,10) ein unteres Schlusspotential und ein oberes Schlusspotential aufweist, wobei ein Redoxpotential des polymeren Bindemittels (18,14) höchstens 50 mV kleiner ist als das obere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials (6,10) oder höchstens 50 mV größer ist als das untere Schlusspotential des Elektrodenaktivmaterials (6,10).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrodenschlicker (15) bereitgestellt wird, der das Elektrodenaktivmaterial (6,10) und das polymere Bindemittel (18,14) aufweist, und dass die Elektrodenaktivmaterialschicht (5,9) aus dem Elektrodenschlicker (15) gefertigt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrodenschlicker (15) bereitgestellt wird, der das Elektrodenaktivmaterial (6,10) und polymerisierbare Monomere (17) zumindest einer Monomerart aufweist, dass der Elektrodenschlicker (15) als Elektrodenaktivmaterialschicht (5,9) auf einen Stromsammler (4,8) aufgebracht wird, und dass die Monomere (17) derart polymerisiert werden, dass das polymere Bindemittel (18,14) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation der Monomere (17) durch UV-Strahlung initiiert wird.