DE102023211971B4 - Electrode for an electrode-separator arrangement in a battery cell, method for manufacturing such an electrode and battery cell - Google Patents

Electrode for an electrode-separator arrangement in a battery cell, method for manufacturing such an electrode and battery cell

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Abstract

Elektrode für eine Elektroden-Separator-Anordnung (3) in einer Batteriezelle, insbesondere Lithiumionen-Batteriezelle, mit einer Substratfolie (5), die ein- oder beidseitig mit einer Aktivmaterialschicht (7) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratfolie (5) aus leitfähigem Graphit (17) und einem Binder (15), insbesondere PTFE, gebildet ist, und/oder dass die Substratfolie (5) aus einem PTFE-Compound mit nicht metallischen, elektrisch leitfähigen Füllstoffen, etwa Graphitpulver (17) und/oder elektrisch leitfähigen Rußpartikeln, gebildet ist. Electrode for an electrode-separator arrangement (3) in a battery cell, in particular a lithium-ion battery cell, with a substrate film (5) which is coated on one or both sides with an active material layer (7), characterized in that the substrate film (5) is formed from conductive graphite (17) and a binder (15), in particular PTFE, and/or that the substrate film (5) is formed from a PTFE compound with non-metallic, electrically conductive fillers, such as graphite powder (17) and/or electrically conductive carbon black particles.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Elektroden-Separator-Anordnung in einer Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zur Fertigung einer solchen Elektrode nach dem Oberbegriff des Anspruches 8, sowie eine Batteriezelle nach Anspruch 9.The invention relates to an electrode for an electrode-separator arrangement in a battery cell according to the preamble of claim 1, a method for manufacturing such an electrode according to the preamble of claim 8, and a battery cell according to claim 9.

Aus der KR 10 2015 0 086 288 A ist eine Elektrode bekannt. Eine gattungsgemäße Elektrode weist eine Substratfolie auf, die ein- oder beidseitig mit einer Aktivmaterialschicht beschichtet ist. Bei einer solchen Elektrode ergeben sich die nachfolgenden Problemstellungen:

  • Eine erste Problemstellung liegt darin, dass im Stand der Technik das aktive Anoden- und Kathodenmaterial auf einer Metallfolie (das heißt Substratfolie) aufgebracht wird. Für die Anode wird in der Regel eine Kupferfolie und für Aluminium eine dünne Aluminiumfolie verwendet. Diese Folien sind elektrisch leitfähig, so dass die Elektronen zur und von der Aktivmaterialschicht wandern können. Sie nehmen normalerweise nicht an der Redoxreaktion teil, um Energie zu sparen. Metall-Substratfolien werden normalerweise nur als Elektronenleiter und als Tragstruktur für die Aktivmaterialschichten verwendet. Normalerweise sind Kupferfolien etwa 10µm und Aluminiumfolien etwa 12 µm dick. Diese Folien tragen zum Gewicht bei und verringern die Energiedichte der Zelle. Wenn es keine Substratfolie gäbe, würde die Energiedichte der Zelle deutlich steigen.
From the KR 10 2015 0 086 288 A An electrode of this type is known. Such an electrode comprises a substrate film coated on one or both sides with an active material layer. The following problems arise with such an electrode:
  • A primary problem is that, in the prior art, the active anode and cathode materials are applied to a metal foil (i.e., a substrate foil). A copper foil is typically used for the anode, and a thin aluminum foil for the aluminum. These foils are electrically conductive, allowing electrons to migrate to and from the active material layer. They do not normally participate in the redox reaction to conserve energy. Metal substrate foils are usually only used as electron conductors and as a support structure for the active material layers. Copper foils are typically about 10 µm thick, and aluminum foils about 12 µm thick. These foils contribute to the weight and reduce the cell's energy density. Without the substrate foil, the cell's energy density would increase significantly.

Eine zweite Problemstellung liegt in der vergleichsweise geringen Haftung der Aktivmaterialschicht auf der Metall-Substratfolie. Die Aktivmaterialschicht wird im Stand der Technik auf beiden Seiten der Metall-Substratfolie entweder durch Nass- oder Trockenbeschichtung aufgetragen. Das Bindemittel sorgt dafür, dass eine ausreichende Haftkraft zwischen Substratfolie und Aktivmaterialschicht besteht. Wenn diese Haftkraft geringer ist als das Aktivmaterial, kann es sich von der Substratfolie ablösen, was als Delaminierung bezeichnet wird. Diese abgelöste Schicht kann einen Kurzschluss zwischen den Elektroden verursachen. Die Adhäsion nimmt mit der Zeit ab, weil das Aktivmaterial aufquillt. Die Adhäsionskraft kann auch aufgrund der Migration des Bindemittels während der Trocknungsphase abnehmen. Um eine ausreichende Haftung zu gewährleisten, ist es üblich, mehr Bindemittel hinzuzufügen, was aber auch zu einer Verringerung der Energiedichte führt. Bei einem Wegfall der Metall-Substratfolie würde kein solches Haftungsproblem bestehen.A second problem lies in the comparatively weak adhesion of the active material layer to the metal substrate film. In the prior art, the active material layer is applied to both sides of the metal substrate film, either by wet or dry coating. The binder ensures sufficient adhesion between the substrate film and the active material layer. If this adhesive force is less than that of the active material, it can detach from the substrate film, a process known as delamination. This detached layer can cause a short circuit between the electrodes. Adhesion decreases over time because the active material swells. The adhesive force can also decrease due to binder migration during the drying phase. To ensure sufficient adhesion, it is common practice to add more binder, but this also leads to a reduction in energy density. Eliminating the metal substrate film would prevent this adhesion problem.

Eine dritte Problemstellung betrifft den Sachverhalt, dass in der Elektroden-Separator- Anordnung der Widerstand gegen die Bewegung von Elektronen viel geringer als der von Ionen. Vor diesem Hintergrund leistet die Metall-Substratfolie eher keinen Beitrag zur Steigerung der elektrischen Leistungsfähigkeit der Batteriezelle. Normalerweise hat eine Zelle zwei interne Widerstände, nämlich einen für den Elektronentransfer und einen für den Lithiumionen-Transfer. Der Widerstand für die Elektronenübertragung ist etwa um das 100-fache geringer als der Widerstand für die Ionenübertragung. Das Kohlenstoffbindemittel, der Graphit und die metallische Substratfolie sorgen für den Elektronentransfer. Selbst wenn die metallische Substratfolie durch ein anderes leitendes Substratmaterial ersetzt wird, würde sich der Elektronenwiderstand nicht wesentlich erhöhen. Die Haupteinschränkung der Schnelligkeitseigenschaften von der Batteriezelle wird durch die Leitfähigkeit der Lithiumionen bestimmt.A third problem concerns the fact that in the electrode-separator arrangement, the resistance to electron movement is much lower than that of ions. Against this background, the metal substrate film does not contribute significantly to increasing the electrical performance of the battery cell. A cell typically has two internal resistances: one for electron transfer and one for lithium-ion transfer. The resistance for electron transfer is approximately 100 times lower than the resistance for ion transfer. The carbon binder, the graphite, and the metallic substrate film facilitate electron transfer. Even if the metallic substrate film were replaced by a different conductive substrate material, the electron resistance would not increase significantly. The main limitation on the speed characteristics of the battery cell is determined by the conductivity of the lithium ions.

Eine vierte Problemstellung besteht darin, dass die Aluminiumsubstratfolie der Kathode unter dem Einfluss des Elektrolyts und bei hoher Alkalität korrosionsanfällig ist. Aluminium neigt dazu, Aluminiumoxid zu bilden; diese Aluminiumoxidschicht ist jedoch nicht stabil gegen Elektrolyt-Angriffe. Auch bei höherem Alkaligehalt des Slurry (pH-Wert über 11) bildet Aluminium Lochfraß. Wäre die Aluminiumschicht nicht vorhanden, könnten viele Elektrolytsalze verwendet werden, die für die Zelle vorteilhaft sein können, aber derzeit wegen der Aluminiumkorrosion nicht verwendet werden.A fourth problem is that the aluminum substrate foil of the cathode is susceptible to corrosion under the influence of the electrolyte and at high alkalinity. Aluminum tends to form aluminum oxide; however, this aluminum oxide layer is not stable against electrolyte attack. At higher slurry alkalinity levels (pH above 11), aluminum also develops pitting corrosion. If the aluminum layer were not present, many electrolyte salts could be used that would be advantageous for the cell, but are currently not used due to aluminum corrosion.

Eine fünfte Problemstellung besteht darin, dass Kupferoxidation die Haftung der Anode verringern kann. Kupfer neigt zur Bildung von Kupferoxid auf der Oberfläche, was die Leitfähigkeit und Haftung des aktiven Anodenmaterials verringern kann. Kupfer neigt außerdem zur Bildung von Dendriten, wenn die Zelle eine niedrigere Spannung als die zulässige Entladespannung erreicht. Wenn kein Kupfer als Substrat verwendet werden würde, gäbe es auch keine Probleme mit der Haftung und der Bildung von Kupferdendriten.A fifth problem is that copper oxidation can reduce anode adhesion. Copper tends to form copper oxide on its surface, which can decrease the conductivity and adhesion of the active anode material. Copper also tends to form dendrites when the cell reaches a voltage lower than the permissible discharge voltage. If copper were not used as a substrate, there would be no problems with adhesion or copper dendrite formation.

Aus der WO 2023/122748 A1 sind Verbundwerkstoffe zur Verwendung bei Anoden bekannt. Die neuen Verbundwerkstoffe umfassen Nanostrukturen auf Siliziumbasis. Außerdem umfassen die Verbundstoffe Nanostrukturen, die an einem Substrat auf Kohlenstoffbasis befestigt sind, auf dem ein Polymer angeordnet ist, wobei das Polymer monomere Einheiten aus Styrol und Allylalkohol enthält. Die Verbundwerkstoffe ermöglichen die Herstellung von Anodenelektroden mit einem geringen Verhältnis von inaktiver Materialien zu aktiven Materialien mit verbesserter Verarbeitbarkeit sowohl bei Nass- als auch bei Trockenanodenbeschichtungsverfahren.From the WO 2023/122748 A1 Composite materials for use in anodes are known. The new composite materials include silicon-based nanostructures. They also include nanostructures attached to a carbon-based substrate on which a polymer is mounted, the polymer containing monomeric units of styrene and allyl alcohol. These composite materials enable the fabrication of anode electrodes with a low inactive-to-active material ratio and improved processability in both wet and dry anode coating processes.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Elektrode sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrode und/oder eine Batteriezelle bereitzustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik eine gesteigerte Leistungsfähigkeit aufweisen.The object of the invention is to provide an electrode and a method for its manufacture to provide such an electrode and/or a battery cell which has increased performance compared to the state of the art.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, des Anspruches 8 und des Anspruches 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The problem is solved by the features of claim 1, claim 8 and claim 9. Preferred embodiments of the invention are disclosed in the dependent claims.

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Elektroden-Separator-Anordnung in einer Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle. Die Elektrode weist eine Substratfolie auf, die ein- oder beidseitig mit einer Aktivmaterialschicht beschichtet ist. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist die Substratfolie aus leitfähigem Graphit und einem Binder, insbesondere PTFE gebildet. Bevorzugt ist die Substratfolie aus einem PTFE-Compound mit nicht metallischen, elektrisch leitfähigen Füllstoffen, etwa Graphitpulver und/oder elektrisch leitfähigen Rußpartikeln, gebildet.The invention relates to an electrode for an electrode-separator arrangement in a battery cell, in particular a lithium-ion battery cell. The electrode comprises a substrate film coated on one or both sides with an active material layer. According to the characterizing part of claim 1, the substrate film is formed from conductive graphite and a binder, in particular PTFE. Preferably, the substrate film is formed from a PTFE compound with non-metallic, electrically conductive fillers, such as graphite powder and/or electrically conductive carbon black particles.

Die Erfindung beruht auf folgender Erkenntnis: Im Stand der Technik wird eine Aluminiumsubstratfolie bei der Kathode und eine Kupfersubstratfolie bei der Anode verwendet. Die Substratfolien sind wichtig für die Elektronenleitfähigkeit und wirken zudem als Basis für die Aktivmaterialschichten. Wie oben dargelegt, ist die elektrische Leitfähigkeit viel schneller als die Ionenleitfähigkeit; eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit würde daher den Zellwiderstand nicht drastisch verändern. Entsprechend besteht die Hauptfunktion der Metall-Substratfolie darin, die Aktivmaterialschichten zu tragen.The invention is based on the following insight: In the prior art, an aluminum substrate foil is used at the cathode and a copper substrate foil at the anode. The substrate foils are important for the electronic conductivity and also act as a base for the active material layers. As explained above, electrical conductivity is much faster than ionic conductivity; therefore, an increase in electrical conductivity would not drastically change the cell resistance. Accordingly, the main function of the metal substrate foil is to support the active material layers.

Vor diesem Hintergrund werden erfindungsgemäß die folgenden Änderungen vorgenommen: Für die Herstellung der Anoden- und Kathodenelektrode wird keine Metallfolie verwendet. Bei der Anode werden anstelle einer Kupferfolie zum Beispiel Nanokupferpartikel in eine Matrix aus Graphit und PTFE-Bindemittel (mit oder ohne leitenden Ruß) eingebettet, um mit Hilfe der Trockenbeschichtungstechnologie eine dünne Folie mit einer Dicke von maximal 20 µm zu bilden.Against this background, the following modifications are made according to the invention: No metal foil is used for the production of the anode and cathode electrodes. For the anode, instead of a copper foil, for example, nanocopper particles are embedded in a matrix of graphite and PTFE binder (with or without conductive carbon black) to form a thin film with a maximum thickness of 20 µm using dry coating technology.

Dieser durch Trockenbeschichtung erzeugte Dünnfilm dient als Substratfolie für die im weiteren Prozessverlauf folgende Anodenbeschichtung. Hier wird der nasse Slurry auf beiden Seiten beschichtet und dann getrocknet, um die endgültige Anodenelektrode herzustellen. Die Anodenelektrode besteht aus zwei unterschiedlichen Schichten. Die erste Schicht aus Kupfer-Nanopartikeln wirken als Elektronenleiter. Das Kalandrieren und die weiteren Prozesse werden wie üblich durchgeführt. Die Nanopartikel aus Kupfer bilden ein leitendes Netzwerk für den Elektronentransfer. Wenn es keine durchgehende Verbindung zwischen den Kupfer-Nanopartikeln gibt, dann wirkt der Graphit, der diese Kupfer-Nanopartikel einbettet, als Elektronenleiter.This thin film, produced by dry coating, serves as a substrate for the subsequent anode coating process. Here, the wet slurry is coated on both sides and then dried to produce the final anode electrode. The anode electrode consists of two distinct layers. The first layer, made of copper nanoparticles, acts as an electron conductor. Calendering and the subsequent processes are carried out as usual. The copper nanoparticles form a conductive network for electron transfer. If there is no continuous connection between the copper nanoparticles, the graphite embedding them acts as the electron conductor.

Graphitpartikel, die sowohl in der oberen als auch in der unteren Aktivmaterialschicht der Anode vorhanden sind, tragen zur Lithium-Interkalation bei. Die Substratfolie wird bevorzugt durch Trockenbeschichtung (hauptsächlich durch Extrusion von Pulver und Verdichtung des Pulvers) hergestellt. Die Aktivmaterialschicht wird durch die Naßbeschichtungstechnologie hergestellt. Erfindungsgemäß erfolgt die Beschichtung nicht auf einem Metallfoliensubstrat, sondern auf einer Substratfolie, die in erster Linie aus Graphitpulver und PFTE in einem Trockenprozess hergestellt ist.. Die Zusammensetzung der Substratfolie und der Aktivmaterialschicht sind unterschiedlich, da unterschiedliche Bindemittel verwendet werden. Es ist auch möglich, die Aktivmaterialschicht mit der Trockentechnologie herzustellen. Die Aktivmaterialschicht enthält weder bei der Nass- noch bei der Trockenbeschichtung Metallpulver. Das bedeutet, dass selbst nach der Verdichtung während des Kalandrierens keine Metallpartikel aus der Elektrodenoberfläche herausragen und in den Separator eindringen können. Metallische Partikel befinden sich tief in der Elektrode sowie nur in der Substratfolie.Graphite particles, present in both the upper and lower active material layers of the anode, contribute to lithium intercalation. The substrate film is preferably produced by dry coating (mainly by extrusion of powder and compaction of the powder). The active material layer is produced by wet coating technology. According to the invention, the coating is not applied to a metal foil substrate, but to a substrate film produced primarily from graphite powder and PTFE in a dry process. The composition of the substrate film and the active material layer differ due to the use of different binders. It is also possible to produce the active material layer using dry technology. The active material layer contains no metal powder in either the wet or dry coating process. This means that even after compaction during calendering, no metal particles protrude from the electrode surface and penetrate the separator. Metallic particles are located deep within the electrode and only in the substrate film.

Bei der Kathode werden - im Unterschied zur Anode - Aluminium-Nano- oder Mikropartikel (weniger als 3 µm) mit leitendem Graphit, aber auch mit aktivem Kathodenmaterial und PTFE gemischt, um eine Beschichtung von etwa 30 µm zu bilden. Man kann auch 1 % KohlenstoffNanoröhren (CNT) verwenden. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Substratfolie erfolgt im Trockenbeschichtungsverfahren, und zwar ohne Verwendung einer Aluminiumfolie. Anstelle von Aluminium kann man auch Mikro- oder Nanopulver aus Edelstahl verwenden.In contrast to the anode, the cathode consists of aluminum nano- or microparticles (less than 3 µm) mixed with conductive graphite, as well as with active cathode material and PTFE, to form a coating of approximately 30 µm. Alternatively, 1% carbon nanotubes (CNTs) can be used. The substrate film according to the invention is produced using a dry coating process, without the use of an aluminum foil. Instead of aluminum, stainless steel micro- or nanopowder can also be used.

Die Kathodenaktivmaterialschicht wird auf der Substratfolie durch Nass- oder Trockenbeschichtungstechnik gebildet. Hier wird ein Slurry, der nur Kathoden-Aktivmaterial mit PVDF-Bindemittel und Ruß oder CNT enthält, mit NMP oder einem wässrigen Lösungsmittel hergestellt und dann auf die Substratfolie aufgetragen, die dann zu einer Kathodenelektrode trocknet. Diese wird dann beim Kalandrieren komprimiert und abgelängt, um die Elektroden fertigzustellen.The cathode active material layer is formed on the substrate film using wet or dry coating techniques. A slurry containing only cathode active material with PVDF binder and carbon black or CNT is prepared with NMP or an aqueous solvent and then applied to the substrate film, which then dries to form a cathode electrode. This is then compressed and cut to length during calendering to complete the electrodes.

In der durch Trockenbeschichtung gebildeten Substratfolie kann ein Metallfolien-Zuschnitt auf eine Seite der Elektrode geklebt werden, der als Ableiterfahne dient. Anschließend wird die Aktivmaterialschicht auf die Substratfolie aufgetragen. Die Ableiterfahne, die eine Dicke von etwa 20 µm aufweisen kann, ragt seitlich aus der Elektroden-Separator-Anordnung heraus. Die Ableiterfahne befindet sich zwischen der Aktivmaterialschicht und der Substratfolie. Nachdem die beiden Beschichtungen aufgebracht sind, wird die Elektrode abgelängt. Jedes einzelne Elektrodenblatt weist eine eigene Ableiterfahne auf, die seitlich über die Aktivmaterialschichten hinausragt. Die Ableiterfahne kann bei der Kathode aus Aluminium oder bei der Anode aus vernickeltem Kupfer bestehen.In the substrate film formed by dry coating, a metal foil blank can be glued to one side of the electrode, serving as a current collector. The active material layer is then applied to the substrate film. The current collector, which can be approximately 20 µm thick, protrudes laterally from the electrode-separator assembly. The current collector is located between the active material layer and the substrate. foil. After the two coatings are applied, the electrode is cut to length. Each individual electrode sheet has its own discharge tab that extends laterally beyond the active material layers. The discharge tab can be made of aluminum for the cathode or nickel-plated copper for the anode.

Die Dicke der Ableiterfahne ist kleiner bemessen als die Dicke der endgültig komprimierten Aktivmaterialschicht. Auf diese Weise kann die Ableiterfahne gegenüber dem Separator stets kontaktfrei verbeiben. Es ist möglich, eine Ableitefahne auf der Oberseite der Substratfolie sowie eine Ableiterfahne auf der Unterseite der Substratfolie anzubringen.The thickness of the conduction flap is less than the thickness of the finally compressed active material layer. This ensures that the conduction flap remains non-contacting with the separator at all times. It is possible to place one conduction flap on the top side of the substrate film and another on the underside.

Die Substratfolie kann nur aus Graphit (mit PTFE-Bindemittel und Ruß) bestehen und kann im Trockenbeschichtungsverfahren zur Herstellung einer Anode verwendet werden. Die Kathoden-Substratfolie wird in ähnlicher Weise ohne Nano- oder Mikro-Aluminiumpartikel (oder Edelstahlpartikel) hergestellt. Sie besteht aus Graphit, gemischt mit aktivem Kathodenmaterial (und PTFE-Bindemittel und CNT oder Ruß) und wird im Trockenverfahren hergestellt.The substrate film can consist solely of graphite (with PTFE binder and carbon black) and can be used in a dry coating process to produce an anode. The cathode substrate film is produced similarly, without nano- or micro-aluminum particles (or stainless steel particles). It consists of graphite mixed with active cathode material (and PTFE binder and CNT or carbon black) and is produced using a dry process.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Substratfolie mit einer ähnlichen Technologie, wie oben dargelegt, hergestellt. Die Substratfolie kann mit oder ohne metallische Nano- oder Metallpartikel hergestellt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Aktivmaterialschicht zunächst nicht auf die Substratfolie beschichtet, sondern auf dem Separator. In diesem Fall wird zunächst ein 20µm-Polypropylen- oder Polyethylen-Separator als Basis für die Aktivmaterialschicht im Trockenverfahren gewählt. Die Substratfolie wird anschließend separat durch Trockenbeschichtung hergestellt. Dann wird die Ableiterfahne aufgeklebt.In another embodiment, the substrate film is produced using a similar technology to that described above. The substrate film can be produced with or without metallic nanoparticles or metal particles. In this embodiment, the active material layer is not initially coated onto the substrate film, but rather onto the separator. In this case, a 20 µm polypropylene or polyethylene separator is first selected as the base for the active material layer using a dry process. The substrate film is then produced separately by dry coating. Finally, the current collector flag is bonded to it.

Die Aktivmaterialschicht ist wesentlich dicker als die Substratfolie, die etwa eine Dicke von maximal 20 bis 30 µm aufweist. Die Aktivmaterialschicht weist dagegen eine Dicke von etwa 60 bis 70 µm auf. Zwischen der Aktivmaterialschicht und der Substratfolie befindet sich ein Klebstoff (das heißt Bindemittel); mit dessen Hilfe werden die beiden Schichten durch Anwendung geringer mechanischer Kraft oder Wärme miteinander verbunden. Auf diese Weise werden die beiden Schichten, obwohl sie unterschiedlich beschaffen sind, homogen und wirken wie eine einzige Elektrodenbeschichtung.The active material layer is significantly thicker than the substrate film, which has a maximum thickness of approximately 20 to 30 µm. The active material layer, in contrast, has a thickness of approximately 60 to 70 µm. An adhesive (i.e., a binder) is located between the active material layer and the substrate film; this adhesive bonds the two layers together using minimal mechanical force or heat. In this way, the two layers, despite their different properties, become homogeneous and function as a single electrode coating.

Die Trockenmischung kann aus 97 % Graphit, 1 % PTFE und 2 % leitfähigem Kohlenstoff bestehen. Diese wird in einer Mischereinheit durchmischt. Dabei kann Kupferpulver in Höhe von bis zu 2 Gew% hinzugefügt wird. Wird Kupferpulver weggelassen, so kann gegebenenfalls ein leitender Kohlenstoffzusatz von bis zu 3 % hinzugefügt werden. Während der Dispersion durch Scherung wird PTFE fibrilliert und verursacht eine Bindung zwischen den Partikeln.The dry mixture can consist of 97% graphite, 1% PTFE, and 2% conductive carbon. This mixture is blended in a mixing unit. Up to 2% copper powder by weight can be added. If copper powder is omitted, up to 3% conductive carbon can be added. During dispersion by shear, the PTFE fibrillates, causing bonding between the particles.

Die Anoden-Substratfolie wird wie folgt hergestellt: Eine trockene Mischung kann als Ausgangsstoff zwischen Kalanderwalzen gepresst werden, um einen dünnen Film von etwa 20 bis 50 µm zu erzeugen. Dieser Film dient dann als Substratfolie für die Herstellung der Nassbeschichtung. Die Folie hat eine Gesamtdicke von 40 µm und enthält entweder Kupferpulver oder kein Kupferpulver. Kupferpulver wird empfohlen, da in die Graphitmatrix eingebettete Metallpartikel der Anoden-Substratfolie eine höhere Leitfähigkeit und Festigkeit verleihen können.The anode substrate film is produced as follows: A dry mixture is pressed between calender rollers to create a thin film of approximately 20 to 50 µm. This film then serves as the substrate film for the wet coating process. The film has a total thickness of 40 µm and contains either copper powder or no copper powder. Copper powder is recommended because metal particles embedded in the graphite matrix can impart higher conductivity and strength to the anode substrate film.

Die Kathoden-Substratfolie wird wie folgt hergestellt: Für die Kathode werden Trockenpartikel auf ähnliche Weise wie bei der Herstellung der Anoden-Substratfolie verwendet. Hier besteht das Trockenpulver aus NMC-Partikeln oder anderen kathodenaktiven Materialien zu maximal 92 Gew%. Auch hier wird PTFE (ca. 2 Gew%) als Bindemittel und Ruß (ca. 3 Gew%) als leitender Zusatzstoff verwendet. Möglicherweise können hier auch CNT mit einem Anteil von maximal 2 Gew% verwendet werden. Hier beträgt der Anteil des Aluminiumpulvers etwa 2 bis 3 Gew%. Aluminiumpulver kann mit bis zu 5 Gew% zudosiert werden. Es ist auch möglich, einen Trockenfilm ohne Aluminiumpulver herzustellen. In diesem Fall kann man statt des feinen Aluminiumpulvers einen höheren Anteil an leitfähigem Kohlenstoff von etwa 5 Gew% verwenden.The cathode substrate film is manufactured as follows: Dry particles are used for the cathode in a similar manner to the production of the anode substrate film. Here, the dry powder consists of NMC particles or other cathode-active materials up to a maximum of 92 wt%. PTFE (approx. 2 wt%) is used as a binder and carbon black (approx. 3 wt%) as a conductive additive. CNTs may also be used here, up to a maximum of 2 wt%. The proportion of aluminum powder is approximately 2 to 3 wt%. Aluminum powder can be added at up to 5 wt%. It is also possible to produce a dry film without aluminum powder. In this case, a higher proportion of conductive carbon, approximately 5 wt%, can be used instead of the fine aluminum powder.

Die Elektrode weist als Ableiterfahne einen Metallfolien-Zuschnitt von zum Beispiel 20 mm x 20 mm mit einer Dicke von etwa 30 µm auf. Die Ableiterfahne ist auf der Substratfolie befestigbar. Hierzu wird die Ableiterfahne mit PVDF-Bindemittel überzogen und dann unter Hitzeeinwirkung auf die Substratfolie gedrückt, damit die Ableiterfahne gut an der Substratfolie haftet. Es ist auch möglich, einen anderen leitfähigen Klebstoff auf Acrylbasis zu verwenden, der mit mechanischer Kraft an der Substratfolie befestigt werden kann. Wichtig ist, dass der Klebstoff elektrisch leitfähig ist.The electrode features a metal foil strip, for example, 20 mm x 20 mm with a thickness of approximately 30 µm, as a grounding tab. This tab can be attached to the substrate film. To do this, the tab is coated with PVDF adhesive and then pressed onto the substrate film under heat to ensure a strong bond. Alternatively, a different conductive, acrylic-based adhesive can be used, which can be mechanically bonded to the substrate film. It is essential that the adhesive is electrically conductive.

Die Ableiterfahne kann entweder auf der Oberseite der Substratfolie oder auf beiden Seiten der Substratfolie angebracht werden. Das bedeutet, dass entweder nur eine Ableiterfahne auf der Oberseite oder zwei Stromabnehmer auf der Ober- und Unterseite der Substratfolie bereitstellbar sind. Die Anoden-Ableiterfahne kann aus vernickeltem Kupfer hergestellt sein, während die Kathode-Ableiterfahne aus Aluminium herstellbar ist, das ebenfalls vernickelt ist.The current collector can be attached either to the top of the substrate film or to both sides. This means that either only one current collector can be located on the top or two can be provided, one on the top and one on the bottom of the substrate film. The anode current collector can be made of nickel-plated copper, while the cathode current collector can be made of nickel-plated aluminum.

Bei der Nassbeschichtung wird ein Slurry ohne Metallpulver auf die Substratfolie aufgebracht. Dessen Schichtdicke beträgt etwa 70 bis 80 µm; anschließend erfolgt eine Trocknung. Nach dem Trocknungsprozess kann auf der gegenüberliegenden Seite eine Naßbeschichtung und eine Trocknung erfolgen. Je nach Beschichtungsanlage können die beiden Seiten der Substratfolie auch gleichzeitig beschichtet werden.In wet coating, a slurry without metal powder is applied to the substrate film. This layer is approximately 70 to 80 µm thick; it is then dried. After drying, the opposite side can be wet coated and dried. Depending on the coating system, both sides of the substrate film can also be coated simultaneously.

Nach der Nassbeschichtung erfolgt das Kalandrieren und Schneiden. Beim Kalandrieren werden sowohl die Substratfolie als auch die Aktivmaterialschicht verdichtet. Die Verdichtung ist so stark, dass die Metallpartikel in der Beschichtung eingebettet werden und nicht nach außen ragen. Auf diese Weise sind die eingebetteten Metallteilchen nicht mit dem Separator in Berührung und wird das Eindringen der Metallteilchen in den Separator unterbunden.After wet coating, calendering and cutting take place. During calendering, both the substrate film and the active material layer are compacted. The compaction is so intense that the metal particles are embedded in the coating and do not protrude. In this way, the embedded metal particles do not come into contact with the separator, thus preventing the metal particles from penetrating it.

Die Kathoden-Substratfolie kann Aluminiumpulver enthalten, während die Kathoden-Ableiterfahne eine Aluminiumfolie mit Nickelüberzug sein kann. PTFE wird als Bindemittel für die Herstellung der Substratfolie verwendet. PVDF wird als Bindemittel für die Aktivmaterialschicht verwendet.The cathode substrate foil may contain aluminum powder, while the cathode drain tab may be a nickel-plated aluminum foil. PTFE is used as a binder for the substrate foil. PVDF is used as a binder for the active material layer.

Die Erfindung unterscheidet sich durch folgende Merkmale vom Stand der Technik: Es wird kein Metallfilm als Substratfolie verwendet. Stattdessen besteht die Substratfolie aus einem dünnen Trockenfilm mit Graphit, PTFE als Bindemittel, leitfähigem Kohlenstoff und Kupferpulver. Kupferpulver wird für den Anoden-Trockenfilm verwendet. Die Partikelgröße liegt vorzugsweise im Nanobereich, kann aber maximal 5 µm betragen. Der Trockenfilm (der als Substratfolie verwendet wird) enthält ebenfalls Graphit und trägt daher ebenfalls zur Lithiumeinlagerung bei, genau wie die Aktivmaterialschicht. Die Anoden-Aktivmaterialschicht enthält keine Kupferpartikel und kann entweder ein PVDF-Bindemittel in NMP-Lösungsmittel oder einen CMC/SBE-Slurry für ein wasserbasiertes Bindemittel enthalten.The invention differs from the prior art in the following ways: No metal film is used as the substrate film. Instead, the substrate film consists of a thin dry film containing graphite, PTFE as a binder, conductive carbon, and copper powder. Copper powder is used for the anode dry film. The particle size is preferably in the nanometer range but can be a maximum of 5 µm. The dry film (which serves as the substrate film) also contains graphite and therefore also contributes to lithium intercalation, just like the active material layer. The anode active material layer does not contain copper particles and can contain either a PVDF binder in NMP solvent or a CMC/SBE slurry for a water-based binder.

Die Kathode wird auf ähnliche Weise hergestellt. Hier wird keine metallische Aluminiumfolie als Substratfolie für die Beschichtung verwendet. Die Substratfolie besteht vielmehr aus Aluminiumpartikeln (maximal 5 µm), die in Graphit, CNT oder Ruß eingebettet sind, und PTFE als Bindemittel. PTFE wird verwendet, da es unter hoher Scherbeanspruchung fibrillieren und einen trockenen Film bilden kann, der für die nachfolgende Naßbeschichtung verwendet werden kann.The cathode is manufactured in a similar manner. However, instead of a metallic aluminum foil, a substrate film is used for the coating. The substrate film consists of aluminum particles (maximum 5 µm) embedded in graphite, carbon black, or carbon black, and PTFE as a binder. PTFE is used because it can fibrill under high shear stress and form a dry film that can be used for subsequent wet coating.

Zwischen der Aktivmaterialschicht und der Substratfolie befindet sich ein Metallstreifen, der als Ableiterfahne dient. Der Stromabnehmer kann sich entweder auf nur einer Seite der Substratfolie oder auf beiden Seiten der Substratfolie befinden. Die Substratfolie kann Kathoden-Aktivmaterial wie NMC, LFP oder andere Metalloxide enthalten. In diesem Fall kann die Substratfolie auch zur Redoxreaktion und zur Einlagerung von Lithiumionen beitragen.Between the active material layer and the substrate film is a metal strip that serves as a current collector. The current collector can be located on either one side of the substrate film or on both sides. The substrate film can contain cathode active material such as NMC, LFP, or other metal oxides. In this case, the substrate film can also contribute to the redox reaction and the incorporation of lithium ions.

Wenn die Aktivmaterialschicht mit der Nassbeschichtungsmethode aufgetragen wird, ist PVDF als Bindemittel für die Kathode mit NMP-Lösungsmittel verwendbar. Für die Anode ist CMC / SBR mit einem Lösungsmittel auf Wasserbasis verwendbar. Für die Naßbeschichtung der Anoden-Aktivmaterialschicht kann auch PVDF als Bindemittel mit NMP-Lösungsmittel verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, die Aktivmaterialschicht mit Hilfe einer Trockenbeschichtung aufzutragen.When the active material layer is applied using the wet coating method, PVDF can be used as a binder for the cathode with an NMP solvent. For the anode, CMC/SBR with a water-based solvent can be used. PVDF can also be used as a binder with an NMP solvent for wet coating of the anode active material layer. However, it is also possible to apply the active material layer using a dry coating method.

Der Kalandrier- und Schneidevorgang wird wie üblich durchgeführt. Es ist wichtig, dass keine metallischen Partikel außerhalb der trockenen Beschichtung eindringen.The calendering and cutting process is carried out as usual. It is important that no metallic particles penetrate outside the dry coating.

Beispielhaft kann bei der Herstellung der Elektroden-Separator-Anordnung zunächst der Separator als Substrat für die Aktivmaterialschicht zweite Beschichtung verwendet werden. Auf einer Seite des Separators wird die Anode trocken beschichtet und auf der anderen Seite die Kathode. Die Herstellung der Substratfolie erfolgt wie bereits oben beschrieben. Zwischen den Schichten wird eine PVDF-Beschichtung aufgebracht. Diese dient als Bindemittel. Man kann auch einen leitfähigen Klebstoff verwenden. Wichtig ist, dass die Beschichtung auch lithiumionenleitend ist. Daher besteht die Beschichtung aus einer Mischung aus leitfähigem Bindemittel oder Klebstoff mit Lithiumnitrid- oder Lithiumphosphatpartikeln, um die Lithiumionenleitung zu gewährleisten. Leitfähiger Kohlenstoff im Klebstoff sorgt für den Elektronentransport. Hier werden beide Beschichtungen im Trockenverfahren hergestellt, da der Separator die Trocknungstemperatur nach der Nassbeschichtung nicht aushält.For example, in the fabrication of the electrode-separator assembly, the separator can first be used as a substrate for the active material layer (second coating). The anode is dry-coated on one side of the separator, and the cathode on the other. The substrate film is produced as described above. A PVDF coating is applied between the layers. This serves as a binder. A conductive adhesive can also be used. It is important that the coating is also lithium-ion conductive. Therefore, the coating consists of a mixture of conductive binder or adhesive with lithium nitride or lithium phosphate particles to ensure lithium-ion conductivity. Conductive carbon in the adhesive facilitates electron transport. Here, both coatings are produced using a dry process because the separator cannot withstand the drying temperature after wet coating.

Es ist auch möglich, eine Substratfolie auf den Separator aufzutragen, dann die Ableiterfahnen anzubringen und anschließend eine Aktivmaterialschicht aufzubringen. Der so gebildete Verbund kann kalandriert werden, um eine gute Kohäsion zwischen den Schichten zu erreichen. In diesem Fall ist kein Klebstoff zwischen den beiden Schichten erforderlich. Bei dieser Option werden Monozellen (nachfolgend als Stapelverbunde bezeichnet) mit einer Beschichtung auf dem Separator hergestellt. Jede Monozelle wird so platziert, dass die Kathode zur Kathode und die Anode zur Anode zeigt. Auf diese Weise werden die Elektroden gestapelt.It is also possible to apply a substrate film to the separator, then attach the current collector tabs, and subsequently apply an active material layer. The resulting composite can be calendered to achieve good cohesion between the layers. In this case, no adhesive is required between the two layers. With this option, monocells (hereinafter referred to as stacked composites) are produced with a coating on the separator. Each monocell is positioned so that the cathode faces the cathode and the anode faces the anode. In this way, the electrodes are stacked.

Nachfolgend sind die Vorteile der Erfindung wie folgt zusammengefasst: Für die Beschichtung ist kein metallisches Substrat wie Kupfer- oder Aluminiumfolie erforderlich. Eine hohe Energiedichte der Zelle ist möglich, da das Gewicht der Metallfolie reduziert wird. Die Schichten der Elektrode sind miteinander so verbunden, dass die Lithiumionen leicht zwischen den Schichten wandern können. Es gibt keinen Metallfilm, der die Bewegung der Lithium-Ionen aufhält. Es besteht außerdem kein Problem mit Aluminiumkorrosion wie Lochfraß unter alkalischen Bedingungen oder unter Salzen wie LiFSi. Das Problem der Kupferdendriten bei niedrigeren Spannungen wird ebenfalls gelöst, da der Kupfergehalt reduziert wird. Da beide Beschichtungen einen ähnlichen chemischen Aufbau haben, gibt es keine Probleme mit der Haftung und Ablösung der Beschichtung vom Substrat. PTFE, das als Bindemittel in der ersten Beschichtung verwendet wird, um einen trockenen Film herzustellen, kann aufgrund seiner Fibrillierungseigenschaften eine gute Kohäsion bewirken. Das in der zweiten Beschichtung verwendete Bindemittel kann einen guten Zusammenhalt mit der mittleren Schicht bewirken, so dass der Zusammenhalt kein Problem darstellt. Kurz gesagt, die Beschichtung ist viel stärker aneinander gebunden als die derzeitige Beschichtung mit metallischem Substrat. Es ist auch möglich, Trockenfilmsubstrate ohne Metallpulver herzustellen. Hier wird der Anteil an leitfähigem Kohlenstoff stärker reduziert, um eine höhere Leitfähigkeit zu erzielen. Bei der Elektrodenfertigung ist nur ein Ablängen erforderlich. Das heißt es kann auf ein sogenanntes Notching verzichtet werden. Die metallische Ableiterfahne wird nicht wie beim konventionellen Verfahren aus dem Substrat herausgeschnitten, sondern hier wird die Ableiterfahne durch Kleben auf der Substratfolie befestigt. Dies hat den Vorteil, dass ein größerer stromtragender Ableiterfahnen-Querschnitt erzielbar ist. Wenn beim konventionellen Verfahren ein größerer stromtragender Ableiterfahnen-Querschnitt erforderlich ist, würde dies bedeuten, dass die Substratfolie mit entsprechend großer Dicke bereitgestellt werden müsste. Es gibt ferner keine metallische Gratbildung während der Schneidoperationen. Zudem besteht eine geringere Gefahr eines Kurzschlusses, da weniger Metallteilchen in der Zelle vorhanden sind. Die Trockenbeschichtung ist auch ein weniger energieintensiver Prozess, so dass die Produktionskosten gesenkt werden können.The advantages of the invention are summarized below: No metallic substrate such as copper or aluminum is required for the coating. Minimal foil is required. A high cell energy density is possible because the weight of the metal foil is reduced. The electrode layers are bonded together in such a way that lithium ions can easily migrate between them. There is no metal film to impede lithium ion movement. Furthermore, there is no problem with aluminum corrosion, such as pitting under alkaline conditions or with salts like LiFSi. The problem of copper dendrites at lower voltages is also solved because the copper content is reduced. Since both coatings have a similar chemical structure, there are no issues with coating adhesion or detachment from the substrate. PTFE, used as a binder in the first coating to create a dry film, can provide good cohesion due to its fibrillating properties. The binder used in the second coating can provide good cohesion with the middle layer, so cohesion is not a problem. In short, the coating is much more strongly bonded than current coatings with a metallic substrate. It is also possible to produce dry film substrates without metal powder. Here, the proportion of conductive carbon is significantly reduced to achieve higher conductivity. Electrode manufacturing requires only cutting to length, eliminating the need for notching. Unlike conventional methods, where the metallic conductor tab is cut from the substrate, here it is bonded to the substrate film. This allows for a larger current-carrying conductor tab cross-section. Conventional methods requiring a larger current-carrying conductor tab cross-section would necessitate a correspondingly thicker substrate film. Furthermore, there is no metallic burr formation during cutting operations. Additionally, the risk of short circuits is reduced due to the fewer metal particles present in the cell. Dry coating is also a less energy-intensive process, thus lowering production costs.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying figures.

Es zeigen:

  • 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 bis 8 jeweils unterschiedliche Ansichten, anhand derer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Elektrode veranschaulicht sind.
They show:
  • 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 until 8 Each of the following views illustrates exemplary embodiments of the electrode according to the invention.

In der 1 ist eine Batteriezelle mit einem gestrichelt angedeuteten Zellgehäuse 1 grob schematisch insoweit angedeutet, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. In dem Zellgehäuse 1 befindet sich eine Elektroden-Separator-Anordnung 3 mit insgesamt zwei Anoden A sowie zwei Kathoden K sowie jeweils zwischengeordneten Separatoren S. Jede der Elektroden A, K weist einen Dreilagenaufbau mit einer mittleren Substratfolie 5 auf, die beidseitig mit einer Aktivmaterialschicht 7 beschichtet ist. Die Substratfolie 5 ist jeweils mit einer Ableiterfahne 9 seitlich nach außen über die Aktivmaterialschichten 7 hinaus verlängert. Die anodenseitigen Ableiterfahnen 9 sind in elektrischer Verbindung mit einem anodenseitigen Zellableiter 11. In gleicher Weise sind die kathodenseitigen Ableiterfahnen 9 in elektrischer Verbindung mit dem kathodenseitigen Zellableiter 13.In the 1 A battery cell with a cell housing 1, indicated by dashed lines, is shown schematically to the extent necessary for understanding the invention. The cell housing 1 contains an electrode-separator arrangement 3 with a total of two anodes A and two cathodes K, each with an intermediate separator S. Each of the electrodes A and K has a three-layer structure with a central substrate film 5 coated on both sides with an active material layer 7. The substrate film 5 extends laterally outwards beyond the active material layers 7 by means of a current collector 9. The anode-side current collectors 9 are electrically connected to an anode-side cell current collector 11. Similarly, the cathode-side current collectors 9 are electrically connected to the cathode-side cell current collector 13.

Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass die Substratfolie 5 nicht aus einer Metallfolie hergestellt ist, sondern vielmehr aus einem PTFE-Compound mit nicht metallischen, elektrisch leitfähigen Füllstoffen. Solche Füllstoffe sind zum Beispiel Graphitpulver 17 (2) sowie elektrisch leitfähige Additive 19, etwa Rußpartikel oder Kohlenstoffnanoröhren. Als leitfähiges Additiv kann dem PTFE-Compound zusätzlich auch ein Metallpulver zugemischt sein. Beispielhaft kann der Anoden-Substratfolie 5 ein Kupferpulver zugemischt sein, während der Kathoden-Substratfolie 5 ein Aluminiumpulver zugemischt sein kann.A key aspect of the invention is that the substrate film 5 is not made from a metal foil, but rather from a PTFE compound with non-metallic, electrically conductive fillers. Such fillers include, for example, graphite powder 17 ( 2 ) as well as electrically conductive additives 19, such as carbon black particles or carbon nanotubes. A metal powder can also be added to the PTFE compound as a conductive additive. For example, copper powder can be added to the anode substrate foil 5, while aluminum powder can be added to the cathode substrate foil 5.

Wie aus der 1 weiter hervorgeht, sind die Ableiterfahnen 9 nicht materialeinheitlicher Bestandteil der jeweiligen Substratfolie 5. Vielmehr sind die Ableiterfahnen 9 jeweils aus einem Metallfolien-Zuschnitt gefertigt. Die Ableiterfahnen 9 werden in einem später beschriebenen Klebprozess auf die Substratfolien 5 geklebt.As from the 1 As will be further shown, the conductive tabs 9 are not a single, integral part of the respective substrate film 5. Rather, the conductive tabs 9 are each made from a single piece of metal foil. The conductive tabs 9 are glued to the substrate films 5 in a bonding process described later.

Die Anoden-Substratfolie 5 kann beispielhaft die folgende Zusammensetzung aufweisen:

  • - Graphitpulver 17, insbesondere bis zu 97 Gew%
  • - PTFE-Binder 15, insbesondere bis zu 1 Gew%
  • - gegebenenfalls elektrisch leitfähige Additive 19, wie etwa Rußpartikel bis zu 2 Gew%, und/oder Kupferpulver.
The anode substrate film 5 can, for example, have the following composition:
  • - Graphite powder 17, especially up to 97 wt%
  • - PTFE binder 15, especially up to 1 wt%
  • - possibly electrically conductive additives 19, such as soot particles up to 2 wt%, and/or copper powder.

Alternativ dazu kann die Kathoden-Substratfolie 5 die folgende Zusammensetzung aufweisen:

  • - Graphitpulver 17, insbesondere bis zu 97 Gew%,
  • - PTFE-Binder 15, insbesondere bis zu 1 Gew%
  • - NMC-Partikel oder weiteres Kathodenaktivmaterial, und
  • - Aluminiumpulver.
Alternatively, the cathode substrate film 5 can have the following composition:
  • - Graphite powder 17, especially up to 97 wt%,
  • - PTFE binder 15, especially up to 1 wt%
  • - NMC particles or other cathode-active material, and
  • - Aluminum powder.

Nachfolgend werden anhand der 2 bis 5a Prozessschritte zur Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode A, K beschrieben. Gemäß der 2 werden der PTFE-Binder 15, Graphitpulver 17 sowie weitere elektrisch leitfähige Additive bzw. Füllstoffe 19 in einer Mischereinheit 21 zu einem Granulat durchmischt. Anschließend folgt ein Urformprozess, bei dem das Granulat einem Extruder 23 zugeführt wird. Unter Druck und/oder Wärme verarbeitet der Extruder 23 das Granulat zu einer Substratfolien-Endlosbahn 25, die auf einer Substratfolien-Rolle 27 aufgewickelt wird. Nach dem Urformschritt folgt ein Klebeprozess ( 3), bei dem die Ableiterfahnen 9 als Metall-Folienzuschnitte auf die Substratfolien-Endlosbahn 25 geklebt werden. Im Anschluss daran wird ein Beschichtungsprozess (4) durchgeführt, bei dem die Aktivmaterialschichten 7 in einer Nassbeschichtung als sogenannter Slurry auf die Substratfolien-Endlosbahn 25 beschichtet werden, und zwar unter Bildung einer Verbund-Endlosbahn 29. In dem in der 4 gezeigten Prozesszustand ist die von der Substratfolien-Rolle 27 abgewickelte Substratfolien-Endlosbahn bereits an ihrer Unterseite mit einer Aktivmaterialschicht 7 beschichtet (in einem vorangegangenen, nicht gezeigten Beschichtungsprozess). Entsprechend ist in der 4 lediglich die Beschichtung der noch unbeschichteten Oberseite der Substratfolien-Endlosbahn 25 gezeigt, die über ein Auftragswerkzeug 31 stattfindet. Die beidseitig beschichtete Verbund-Endlosbahn 29 durchläuft eine Trockenstation 33, in der die nassbeschichteten Aktivmaterialschichten 7 getrocknet werden. Anschließend wird die getrocknete Verbund-Endlosbahn 29 an einer Dickenmessung 35 vorbeigeführt. Diese ist signaltechnisch mit einem nachgeschalteten (nicht gezeigten) Kalandrierprozess signaltechnisch verbunden, um die Verbund-Endlosbahn auf ein vordefiniertes Maß zu verdichten. Nach dem Kalandrierprozess wird ein Schneidprozess durchgeführt, bei dem die Elektroden A, K als Elektrodenblätter mit Schneidmesser 37 (angedeutet in der 4) zu der in der 5a gezeigten Elektrode abgelängt werden. In der 5b ist eine alternative Ausführungsvariante gezeigt, in der die Elektrode A, K zwei Ableiterfahnen 9 aufweist. Die beiden Ableiterfahnen 9 sind an gegenüberliegenden Flachseiten der Substratfolie 5 geklebt.The following will be based on the 2 to 5a Process steps for the production of electrodes A and K according to the invention are described. 2 The PTFE binder 15, graphite powder 17, and other electrically conductive additives or fillers 19 are mixed in a mixer unit 21 to form granules. This is followed by a primary forming process in which the granules are fed to an extruder 23. Under pressure and/or heat, the extruder 23 processes the granules into a continuous substrate film web 25, which is wound onto a substrate film roll 27. After the primary forming step, an adhesive bonding process follows ( 3 ), in which the conductive tabs 9 are glued as metal foil cutouts onto the continuous substrate foil web 25. Subsequently, a coating process ( 4 ) carried out, in which the active material layers 7 are coated in a wet coating as a so-called slurry onto the substrate film continuous web 25, forming a composite continuous web 29. In the 4 In the process state shown, the continuous web of substrate film unwound from the substrate film roll 27 is already coated on its underside with an active material layer 7 (in a previous coating process not shown). Accordingly, in the 4 Only the coating of the still uncoated top side of the substrate film continuous web 25 is shown, which takes place via an application tool 31. The composite continuous web 29, coated on both sides, passes through a drying station 33 in which the wet-coated active material layers 7 are dried. Subsequently, the dried composite continuous web 29 is passed by a thickness measurement device 35. This device is signal-connected to a downstream (not shown) calendering process in order to densify the composite continuous web to a predefined thickness. After the calendering process, a cutting process is carried out in which the electrodes A, K are used as electrode blades with cutting blades 37 (indicated in the 4 ) to the one in the 5a The electrode shown should be cut to length. 5b An alternative embodiment is shown in which electrode A, K has two conductor tabs 9. The two conductor tabs 9 are glued to opposite flat sides of the substrate film 5.

In der 6 ist eine Elektroden-Separator-Anordnung 3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel angedeutet. Gemäß der 6 weist die Elektroden-Separator- Anordnung 3 insgesamt drei übereinander gestapelte Stapelverbunde 39 auf. Einer dieser Stapelverbunde 39 ist in der 7 in Alleinstellung gezeigt. Demnach ist in dem Stapelverbund 39 ein Separator S in einem Beschichtungsprozess beidseitig direkt jeweils mit einer Anodenaktivmaterialschicht 7a und mit einer Kathodenaktivmaterialschicht 7b beschichtet. Der in der 7 gezeigte Stapelverbund 39 weist an jedem Stapelende eine Anoden-Substratfolie 5a und eine Kathoden-Substratfolie 5b auf. Die Substratfolien 5a, 5b sind mit Ableiterfahnen 9 seitlich über die Aktivmaterialschichten 7 hinaus verlängert.In the 6 An electrode-separator arrangement 3 according to a further embodiment is indicated. According to the 6 The electrode-separator arrangement 3 has a total of three stacked stack assemblies 39. One of these stack assemblies 39 is located in the 7 shown in isolation. Accordingly, in the stacked assembly 39, a separator S is coated on both sides directly with an anode-active material layer 7a and a cathode-active material layer 7b in a coating process. The one in the 7 The stack assembly 39 shown has an anode substrate film 5a and a cathode substrate film 5b at each end of the stack. The substrate films 5a, 5b are extended laterally beyond the active material layers 7 by means of conduction tabs 9.

Bei einem Verfahren zur Fertigung des Stapelverbunds 39 wird zunächst der Beschichtungsprozess durchgeführt, bei dem die Anodenaktivmaterialschicht 7a und die Kathoden-Aktivmaterialschicht 7b in einem Trockenverfahren auf die beiden Seiten des Separators S beschichtet werden. Anschließend erfolgt ein Klebprozess. In Vorbereitung auf den Klebprozess werden die Außenseiten der Aktivmaterialschichten 7a, 7b mit einem PVDF-Binder 41 überzogen, wie es in der 8 angedeutet ist. Dadurch sind die jeweiligen Substratfolien 5a, 5b auf den zugeordneten Anoden- und Kathodenaktivmaterialschichten 7a, 7b verklebbar. Die Substratfolien 5a, 5b sind, wie im ersten Ausführungsbeispiel, aus einem PTFE-Compound mit nicht metallischen, elektrisch leitfähigen Füllstoffen, wie etwa Graphitpulver 17 sowie elektrisch leitfähigen Rußpartikel, gebildet. Zudem kann die Substratfolie 7a, 7b als elektrisch leitfähiges Additiv ein Metallpulver (das heißt Aluminiumpulver oder Kupferpulver) enthalten.In a process for manufacturing the stacked composite 39, the coating process is first carried out, in which the anode active material layer 7a and the cathode active material layer 7b are coated onto both sides of the separator S in a dry process. This is followed by an adhesive bonding process. In preparation for the adhesive bonding process, the outer surfaces of the active material layers 7a and 7b are coated with a PVDF binder 41, as described in the 8 This is indicated. The respective substrate films 5a, 5b can thus be bonded to the associated anode and cathode active material layers 7a, 7b. As in the first embodiment, the substrate films 5a, 5b are formed from a PTFE compound with non-metallic, electrically conductive fillers, such as graphite powder 17 and electrically conductive carbon black particles. In addition, the substrate film 7a, 7b can contain a metal powder (i.e., aluminum powder or copper powder) as an electrically conductive additive.

Gemäß der 6 sind die Stapelverbunde 39 derart übereinandergestapelt, dass die Anodenaktivmaterialschichten 7a unter Zwischenlage zweier Anoden-Substratfolien 5a einander zugewandt sind. In gleicher Weise sind die Kathodenaktivmaterialschichten 7b benachbarter Stapelverbunde 39 unter Zwischenlage zweier Kathoden-Substratfolien 7b einander zugewandt.According to the 6 The stacked composites 39 are stacked on top of each other in such a way that the anode active material layers 7a face each other with two anode substrate films 5a interposed between them. Similarly, the cathode active material layers 7b of adjacent stacked composites 39 face each other with two cathode substrate films 7b interposed between them.

Claims (10)

Elektrode für eine Elektroden-Separator-Anordnung (3) in einer Batteriezelle, insbesondere Lithiumionen-Batteriezelle, mit einer Substratfolie (5), die ein- oder beidseitig mit einer Aktivmaterialschicht (7) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratfolie (5) aus leitfähigem Graphit (17) und einem Binder (15), insbesondere PTFE, gebildet ist, und/oder dass die Substratfolie (5) aus einem PTFE-Compound mit nicht metallischen, elektrisch leitfähigen Füllstoffen, etwa Graphitpulver (17) und/oder elektrisch leitfähigen Rußpartikeln, gebildet ist.Electrode for an electrode-separator arrangement (3) in a battery cell, in particular a lithium-ion battery cell, with a substrate film (5) which is coated on one or both sides with an active material layer (7), characterized in that the substrate film (5) is formed from conductive graphite (17) and a binder (15), in particular PTFE, and/or that the substrate film (5) is formed from a PTFE compound with non-metallic, electrically conductive fillers, such as graphite powder (17) and/or electrically conductive carbon black particles. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstoff zur Herstellung der Substratfolie (5) ein Granulat bzw. eine Trockenpulvermischung aus Graphitpulver (17) und Binder (15) ist, und dass der Ausgangsstoff durch Urformen, insbesondere Kalandrieren oder Extrudieren, zur Substratfolie (5) verarbeitbar ist.electrode after Claim 1 , characterized in that the starting material for the production of the substrate film (5) is a granulate or a dry powder mixture of graphite powder (17) and binder (15), and that the starting material can be processed into the substrate film (5) by primary forming, in particular calendering or extrusion. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratfolie (5) die folgende Zusammensetzung aufweist: - Graphitpulver, insbesondere bis zu 97 Gew%, - Binder, insbesondere bis zu 1 Gew% - gegebenenfalls elektrisch leitfähige Rußpartikel bis zu 2 Gew%, sowie - gegebenenfalls weitere elektrisch leitfähige Additive, etwa Metallpulver.electrode after Claim 1 or 2 , characterized in that the substrate film (5) has the following composition: - graphite powder, in particular up to 97 wt%, - binder, in particular up to 1 wt%, - optionally electrically conductive carbon black particles up to 2 wt%, and - optionally further electrically conductive additives, such as metal powder. Elektrode nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivmaterialschicht (7), insbesondere in einem Beschichtungsprozess durch Nass- oder Trockenbeschichtung, auf die Substratfolie (5) auftragbar ist, und/oder dass die Substratfolie (5) mit zumindest einer Ableiterfahne (9) seitlich über die Aktivmaterialschicht (7) hinaus verlängert ist, und dass insbesondere die Ableiterfahne (9) ein Metallfolien-Zuschnitt ist, der mit der Substratfolie (5) elektrisch leitfähig verklebbar ist, und zwar insbesondere in einem Klebprozess, der zwischen dem Urformprozess und dem Beschichtungsprozess stattfindet.electrode after Claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the active material layer (7) can be applied to the substrate film (5), in particular in a coating process by wet or dry coating, and/or that the substrate film (5) is extended laterally beyond the active material layer (7) by at least one conduction flap (9), and in particular that the conduction flap (9) is a metal foil blank which can be bonded to the substrate film (5) in an electrically conductive manner, in particular in a bonding process which takes place between the primary forming process and the coating process. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableiterfahne (9) mittels eines PVDF-Binders mit der Substratfolie (5) verklebbar ist, und/oder dass die Elektrode (A, K) zwei Ableiterfahnen (9) aufweist, die an gegenüberliegenden Flachseiten der Substratfolie (5) verklebt sind, und/oder dass in der fertiggestellten Elektrode (A, K) die Dicke der Ableiterfahne (9) kleiner bemessen ist als die Dicke der Aktivmaterialschicht (7), um einen Kontakt mit einem benachbarten Separator (S) in der Elektroden-Separator-Anordnung (3) zu vermeiden.electrode after Claim 4 , characterized in that the current collector tab (9) can be bonded to the substrate film (5) by means of a PVDF binder, and/or that the electrode (A, K) has two current collector tabs (9) which are bonded to opposite flat sides of the substrate film (5), and/or that in the finished electrode (A, K) the thickness of the current collector tab (9) is smaller than the thickness of the active material layer (7) in order to avoid contact with an adjacent separator (S) in the electrode-separator arrangement (3). Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer als Anode (A) ausgebildeten Elektrode der Ausgangsstoff für die Herstellung der Substratfolie (5) eine Trockenpulvermischung mit folgender Zusammensetzung ist: - Graphitpulver (17), insbesondere bis zu 97 Gew%, - PTFE (15), insbesondere bis zu 1 Gew%, - leitfähige Rußpartikel, insbesondere bis zu 3 Gew%, - gegebenenfalls Kupferpulver, insbesondere bis zu 2 Gew.%.Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that, in the case of an electrode designed as an anode (A), the starting material for the production of the substrate film (5) is a dry powder mixture with the following composition: - graphite powder (17), in particular up to 97 wt%, - PTFE (15), in particular up to 1 wt%, - conductive carbon black particles, in particular up to 3 wt%, - optionally copper powder, in particular up to 2 wt%. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer als Kathode (K) ausgebildeten Elektrode der Ausgangsstoff für die Herstellung der Substratfolie (5) eine Trockenpulvermischung mit folgender Zusammensetzung ist: - NMC-Partikel oder weiteres Kathodenaktivmaterial, insbesondere bis zu 92 Gew%, - PTFE, insbesondere bis zu 2 Gew%, - leitfähige Rußpartikel, insbesondere bis zu 3 Gew.% - gegebenenfalls Kohlenstoffnanoröhren, insbesondere bis zu 2 Gew% - gegebenenfalls Aluminiumpulver, insbesondere bis zu 5 Gew.%.Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that, in the case of an electrode designed as a cathode (K), the starting material for the production of the substrate film (5) is a dry powder mixture with the following composition: - NMC particles or further cathode active material, in particular up to 92 wt%, - PTFE, in particular up to 2 wt%, - conductive carbon black particles, in particular up to 3 wt%, - optionally carbon nanotubes, in particular up to 2 wt%, - optionally aluminum powder, in particular up to 5 wt%. Verfahren zur Fertigung einer Elektrode (A, K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit - einem Urformprozess, bei dem eine Trockenpulvermischung zu einer Substratfolien-Endlosbahn (25) geformt wird, - einem Beschichtungsprozess, bei dem die Aktivmaterialschicht (7) in einem Nass- oder Trockenverfahren auf die Substratfolien-Endlosbahn (25) beschichtet wird, und zwar unter Bildung einer Verbund-Endlosbahn (29), - einem Trockenprozess, bei dem die nassbeschichtete Aktivmaterialschicht (7) der Verbund-Endlosbahn (29) getrocknet wird, - einem Kalandrierprozess, bei dem die Verbund-Endlosbahn (29) verdichtet wird, und - einem Schneidprozess, bei dem die Elektrode (A, K) als Elektrodenblatt von der Verbund-Endlosbahn (29) abgelängt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Urformprozess und dem Beschichtungsprozess ein Klebeprozess erfolgt, bei dem zumindest eine Ableiterfahne (9) als Metall-Folienzuschnitt auf die Substratfolien-Endlosbahn (25) geklebt wird.A method for manufacturing an electrode (A, K) according to one of the preceding claims, comprising: - a primary forming process in which a dry powder mixture is formed into a continuous substrate film web (25); - a coating process in which the active material layer (7) is coated onto the continuous substrate film web (25) in a wet or dry process, forming a composite continuous web (29); - a drying process in which the wet-coated active material layer (7) of the composite continuous web (29) is dried; - a calendering process in which the composite continuous web (29) is compacted; and - a cutting process in which the electrode (A, K) is cut to length from the composite continuous web (29) as an electrode sheet; characterized in that an adhesive bonding process takes place between the primary forming process and the coating process in which at least one conductor tab (9) is bonded as a metal foil blank onto the continuous substrate film web (25). Batteriezelle mit einer Elektroden-Separator-Anordnung (3), die zumindest eine Elektrode (A, K) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, mit zumindest einem Stapelverbund (39), in dem ein Separator (S) in einem Beschichtungsprozess beidseitig direkt jeweils mit einer Anodenaktivmaterialschicht (7a) und mit einer Kathodenaktivmaterialschicht (7b) beschichtet ist, wobei der Stapelverbund (39) an seinen beiden Stapelenden eine Substratfolie (5a, 5b) aufweist, die mit einer Ableiterfahne (9) seitlich über die Aktivmaterialschicht (7a, 7b) hinaus verlängert ist, wobei die beiden Substratfolien (5a, 5b) in einem Klebeprozess auf die jeweilige Aktivmaterialschicht (7a, 7b) geklebt ist, wobei die Elektroden-Separator-Anordnung (3) aus einer Mehrzahl übereinander gestapelter Stapelverbunde (39) aufgebaut ist, und wobei die Anodenaktivmaterialschichten (7a) benachbarter Stapelverbunde (39) unter Zwischenlage zweier Substratfolien (7a) einander zugewandt sind, und in gleicher Weise die Kathodenaktivmaterialschichten (7b) benachbarter Stapelverbunde (39) unter Zwischenlage zweier Substratfolien (7b) einander zugewandt sind.Battery cell with an electrode-separator arrangement (3) comprising at least one electrode (A, K) after one of the Claims 1 until 7 comprising at least one stacked assembly (39) in which a separator (S) is directly coated on both sides in a coating process with an anode active material layer (7a) and a cathode active material layer (7b), wherein the stacked assembly (39) has a substrate film (5a, 5b) at its two stacked ends, which is extended laterally beyond the active material layer (7a, 7b) by a current collector tab (9), wherein the two substrate films (5a, 5b) are bonded to the respective active material layer (7a, 7b) in an adhesive bonding process, wherein the electrode-separator arrangement (3) is composed of a plurality of stacked stacked assemblies (39) stacked on top of each other, and wherein the anode active material layers (7a) of adjacent stacked assemblies (39) face each other with an interposition of two substrate films (7a), and similarly the cathode active material layers (7b) of adjacent stacked assemblies (39) with an interposition two substrate films (7b) facing each other. Batteriezelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Substratfolie (5a, 5b) aus leitfähigem Graphit (17) und einem Binder, insbesondere PTFE (15), gebildet ist, und/oder dass die Substratfolie (5a, 5b) aus einem PTFE-Compound mit nicht metallischen, elektrisch leitfähigen Füllstoffen, etwa Graphitpulver (17) und/oder elektrisch leitfähigen Rußpartikeln, gebildet ist.Battery cell after Claim 9 , characterized in that the respective substrate film (5a, 5b) is formed from conductive graphite (17) and a binder, in particular PTFE (15), and/or that the substrate film (5a, 5b) is formed from a PTFE compound with non-metallic, electrically conductive fillers, such as graphite powder (17) and/or electrically conductive carbon black particles.
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