CN118299510A - 用于电化学电池单元的电池电极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电化学电池单元的电池电极(2,2')，其具有金属的电流放电器(4)和施加在其上的底漆层(6)，其中，所述底漆层(6)具有导电添加剂(8)和电化学活性硅基纳米活性材料(10)。

Description

用于电化学电池单元的电池电极
技术领域
本发明涉及一种用于电化学电池单元的电池电极，其具有金属的电流放电器和施加在其上的底漆涂层。本发明还涉及一种带有这种电池电极的电化学电池单元。
背景技术
电力或电动驱动或可电力或电动驱动的机动车，如电动汽车或混合动力汽车，通常包括电动机，通过电动机能驱动一个或两个车轴。为了提供电能，电动机通常连接在作为电能存储器的车内(高压)电池上。
尤其电化学电池在此和下文中尤其指机动车的所谓二次的电池(二次电池)。对于这种(二次)车辆电池，消耗的化学能可以通过(再)充电过程重建。例如这种车辆电池设计成电化学蓄能器，尤其锂离子蓄能器。
为了产生或提供足够高的工作电压，这种车辆电池通常具有至少一个电池模块(电池单元模块)，其中多个单独的电池单元模块化连接。替选地可行的是所谓的Cell2Pack设计，其中电池单元直接连接、尤其并联连接成车辆电池，不是事先组合成模块。
电池单元例如设计成电化学(薄)层单元。薄层单元具有分层的结构，其带有阴极层(阴极)和阳极层(阳极)以及插入其间的隔膜层(隔膜)。阳极和阴极在此通常分别具有尤其箔状的电流放电器(集电器、汇流体、集流器)，其带有施加在其上的活性材料(电极材料)，锂离子可插入(嵌入)活性材料中并且从活性材料中脱离(脱嵌)。这些组分例如被液态电解质(电解液)渗入，其产生这些组分的离子导通的连接或者说电荷平衡。为了提高锂离子电池的能量密度，硅基(Si-based)活性材料越来越多地被用于电极层，尤其是阳极。
此外期望的是，锂离子电池具有尽可能长的使用寿命和尽可能高的快充能力。为了实现或者改善电极涂层在电流放电器上的附着，并且以此甚至改善快充能力，尤其在阳极将铜箔作为电流放电器使用，带有所谓的底漆层或底漆涂层(英语：Primerinterlayer)。底漆层通常由能导通的碳(如导电碳黑)和粘合剂聚合物构成，粘合剂聚合物能够实现在电流放电器上的附着。底漆层通常具有更高的粗糙度，以改善施加在其上的活性材料涂层的附着。
但不利的是，这种底漆层降低电池单元的能量密度，因为其含有非活性材料(如粘合剂)且不含硅基材料。因此通常底漆层尽可能薄地施加，即带有尽可能小的层厚度，以减少对能量密度的负面影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种对于电化学电池单元特别合适的电池电极。本发明要解决的技术问题还在于，提供一种特别合适的电池单元。
根据本发明上述技术问题在电池电极方面通过权利要求1的特征解决，在电池单元方面通过权利要求10的特征解决。本发明的有利设计方案和改进设计是从属权利要求的内容。针对电池电极介绍的优点和设计适宜地也可转用于电池单元，反之亦然。
根据本发明的电池电极规定用于电化学电池单元并适于此和设置用于此。电池电极在此具有金属的、尤其箔状的电流放电器和施加在其上的底漆层。底漆层具有导电添加剂和电化学活性硅基纳米活性材料作为组分。由此实现特别合适的电池电极。
因此根据本发明，硅基纳米活性材料额外一并加入底漆层中。这些硅基纳米活性材料具有电化学活性并且因此有助于电池电极的容量，由此增加电池单元的能量密度。由于硅基纳米活性材料直接加入底漆层中，因此还确保硅基活性材料在电池单元的使用寿命内良好的附着。
纳米活性材料在此理解为纳米级的材料或颗粒形式的活性材料。纳米活性材料例如由纳米颗粒或纳米管(Nanotubes)或纳米线(Nanowire)或其混合物构成。
电池电极尤其是阳极，其中纳米活性材料相应理解为纳米阳极活性材料。作为导电添加剂通常使用用于电池阳极或底漆层中的导电添加剂，例如导电炭黑、Carbon Black、Ketjen Black、纳米管等。
底漆层在此可以是未涂层的。换句话说，电池电极可以由有底漆的电流放电器形成。但优选在底漆层上施加有活性材料层，尤其硅基活性材料层。例如在底漆层上施加阳极活性材料，使得电池电极可以作为阳极用于电池单元中。通过底漆层改善电池电极上的膏料或活性材料层的传导能力和附着强度。
即使带有添加的纳米活性材料，底漆层对电池单元的能量密度的影响仍然很小。为了进一步降低该影响，在有利的设计中，底漆层仅具有在100nm(纳米)至5μm(微米)之间的层厚度。尤其层厚度在500nm到1.5μm之间。
在合适的设计中，纳米活性材料，即纳米材料或颗粒具有在50nm到500nm之间，尤其在50nm到250nm之间的平均尺寸。换句话说，底漆层具有从几个纳米活性材料层到单层(Monolage)的层厚度。由此有利地延长电池电极的使用寿命，因为避免所谓的颗粒开裂和颗粒脱落。此外由此有利避免不期望的中间相(SEI)的形成。
在可以想到的设计中，纳米活性材料是纯硅(Si)、氧化硅(SiOx)或硅合金(Si-Alloy)。例如纳米活性材料由Si纳米颗粒、Si纳米管、Si纳米线或掺杂有锂(Li)或镁(Mg)的SiOx纳米材料形成。
在适宜的改进设计中，底漆层具有的导电添加剂与纳米活性材料的重量百分数(wt％)的比例在99:1至1:99之间。优选导电添加剂与纳米活性材料的重量百分数比例在75:25至50:50之间。
底漆层可以设计为无粘合剂的，即不具有粘合剂。作为用于这种无粘合剂底漆层的涂层方法可以使用例如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、溅射或原子层沉积(ALD)。
但是底漆层也可以设计成具有额外的粘合剂。在这种设计中，底漆层具有在2％重量百分数到40％重量百分数之间的粘合剂份额。作为粘合剂在此例如使用通常在电池阳极或底漆层中已知的聚合物粘合剂(如CMC、SBR、PAA、PVdF、PTFE……)。对于带有粘合剂的底漆层作为涂层方法例如可以使用狭缝挤压涂层(英语:slot-die coating)、刮刀涂层(英语:doctorblade coating)或利用在混合过程期间的颗粒结构(超级结构)自组装(英语:self assembly)。涂层方法在此可以是水基的或基于溶剂的。替选地也可以想到干式涂层方法。
在优选的设计中，电流放电器设计为铜箔。优选电流放电器或铜箔具有在1μm至20μm之间，尤其4.5μm至10μm之间，例如6μm的层厚度(箔厚)。
根据本发明的电化学电池单元具有如上所述的电池电极。电池电极在此例如作为阳极容纳在电池单元的单元垛中。由此确保具有特别高的能量密度的特别合适的电池单元。
附图说明
下面根据附图进一步阐述本发明的实施例。在此示意性和简易示出：
图1是带有有底漆的电流放电器的电池电极，
图2是设计为阳极的电池电极。
相应的部件和量在所有附图中总是配设相同的附图标记。
具体实施方式
图1中示出的电池电极2规定用于未详细示出的电化学电池单元并适于此和设置用于此。电池电极2在此具有金属的、尤其箔状的电流放电器4和施加在其上的底漆层6。
电流放电器4优选设计为铜箔。电流放电器4在此具有在1μm至20μm之间，尤其4.5μm至10μm之间，例如6μm的层厚度(箔厚)。
底漆层6具有在100nm到5μm之间的层厚度。尤其层厚度设计为在500nm到1.5μm之间。底漆层6具有导电添加剂8和电化学活性硅基纳米活性材料10。导电添加剂8例如是导电炭黑、CarbonBlack、Ketjen Black、纳米管或其混合物。纳米活性材料10例如是纯硅(Si)、氧化硅(SiOx)或硅合金(Si-Alloy)。例如纳米活性材料由Si纳米颗粒、Si纳米管、Si纳米线或掺杂有锂(Li)或镁(Mg)的SiOx纳米材料或其混合物形成。纳米活性材料10在此具有在50nm到500nm之间，尤其在50nm到250nm之间的平均尺寸。
底漆层6中导电添加剂8与纳米活性材料10的(重量百分数)比例在99:1至1:99。优选导电添加剂8与纳米活性材料10的比例设计为在75:25至50:50之间。
底漆层6可以设计为无粘合剂的，即不具有粘合剂12。作为用于这种无粘合剂底漆层的涂层方法可以使用例如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、溅射、或原子层沉积(ALD)。
但是底漆层6也可选地可以设计成具有粘合剂12。在这种设计中，底漆层6具有在2％重量百分数到40％重量百分数之间的粘合剂份额。作为粘合剂12在此例如使用通常在电池阳极或底漆层中已知的聚合物粘合剂(如CMC、SBR、PAA、PVdF、PTFE……)或混合物。对于带有粘合剂12的底漆层6作为涂层方法例如可以使用狭缝挤压涂层(英语:slot-diecoating)、刮刀涂层(英语:doctorblade coating)或利用在混合过程期间的颗粒结构(超级结构)自组装(英语:selfassembly)。涂层方法在此可以是水基的或基于溶剂的。替选地也可以想到干式涂层方法。
图2示出设计为阳极的电池电极2'，其中，底漆层6作为用于硅基活性材料层14的附着层。在底漆层6上施加阳极活性材料作为活性材料层14，使得电池电极2'可以作为阳极用于电池单元中。
所要求保护的本发明不局限于上述实施例。相反地，本领域技术人员也可以在公开的权利要求范畴内导出本发明的其他变型设计，而不脱离所要求保护的本发明的内容。尤其地，所有与不同实施例关联地说明的单个特征在公开的权利要求范畴内也可以以其他方式结合，而不脱离所要求保护的本发明的内容。
附图标记列表：
2、2' 电池电极
4 电流放电器
6 底漆层
8 导电添加剂
10 纳米活性材料
12 粘合剂
14 活性材料层

Claims (10)

1.一种用于电化学电池单元的电池电极(2,2')，其具有金属的电流放电器(4)和施加在其上的底漆层(6)，其中，所述底漆层(6)具有导电添加剂(8)和电化学活性硅基纳米活性材料(10)。
2.按照权利要求1所述的电池电极(2')，
其特征在于，
在所述底漆层(6)上施加有硅基活性材料层(14)。
3.按照权利要求1或2所述的电池电极(2,2')，
其特征在于，
所述底漆层(6)具有在100nm至5μm之间，尤其500nm至1.5μm之间的层厚度。
4.按照权利要求1至3之一所述的电池电极(2,2')，
其特征在于，
所述纳米活性材料(10)具有在50nm到500nm之间，尤其在50nm到250nm之间的平均尺寸。
5.按照权利要求1至4之一所述的电池电极(2,2')，
其特征在于，
所述纳米活性材料(10)是纯硅、氧化硅或硅合金。
6.按照权利要求1至5之一所述的电池电极(2,2')，
其特征在于，
所述底漆层(6)具有的导电添加剂(8)与纳米活性材料(10)的重量百分数的比例在99:1至1:99之间、尤其75:25至50:50之间。
7.按照权利要求1至6之一所述的电池电极(2,2')，
其特征在于，
所述底漆层(6)额外具有在2％重量百分数到40％重量百分数的粘合剂(12)。
8.按照权利要求1至7之一所述的电池电极(2,2')，
其特征在于，
所述电流放电器(4)设计为铜箔。
9.按照权利要求1至8之一所述的电池电极(2,2')，
其特征在于，
所述电流放电器(4)具有在1μm至20μm之间，尤其4.5μm至10μm之间的层厚度。
10.一种电化学电池单元，其具有按照权利要求1至9之一所述的电池电极(2,2')。
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