DE102017007858A1 - Method for direct application of glass-based separators to battery electrodes - Google Patents
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Abstract
Separator für eine elektrochemische Zelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, umfassend eine poröse Schicht, enthaltend die folgenden Komponenten:
(A) 5 bis 99.9 Gew.-% mindestens eines Glasplättchens mit einer mittleren Dicke von 0,05 µm bis 30 µm und einer mittleren Kantenlänge von 0,1 µm bis 150 µm;
(B) 0,1 bis 95 Gew.-% mindestens eines Binders; wobei sich die Komponenten (A) und (B) auf 100 Gew.-% ergänzen und wobei der Separator mittels eines Beschichtungsverfahrens direkt auf eine Batterieelektrode aufgebracht wird und eine Porosität von 5 bis 80 % und eine Gesamtdicke von 0,5 µm bis 200 µm aufweist.
Separator for an electrochemical cell, preferably a lithium-ion battery, comprising a porous layer containing the following components:
(A) 5 to 99.9% by weight of at least one glass flake having an average thickness of 0.05 μm to 30 μm and an average edge length of 0.1 μm to 150 μm;
(B) 0.1 to 95% by weight of at least one binder; wherein the components (A) and (B) add up to 100 wt .-% and wherein the separator is applied by means of a coating method directly on a battery electrode and a porosity of 5 to 80% and a total thickness of 0.5 .mu.m to 200 .mu.m having.
Description
Beschreibung des technischen Gebietes der ErfindungDescription of the technical field of the invention
Die beschriebene Erfindung liegt auf dem Gebiet der Separatoren für elektrochemische Speicher wie z.B. Lithium-Ionen-Batterien. Die Neuheit besteht darin, dass zum einen durch die Verwendung des Werkstoffes Glas in Form von Glasplättchen (Glasflakes) eine wesentlich bessere Temperaturstabilität, eine verbesserte mechanische Stabilität sowie eine optimierte Benetzung mit einer Elektrolytflüssigkeit des Separators erreicht wird. Zum anderen ergibt sich durch die direkte Aufbringung des Separators auf eine Elektrode eine verfahrenstechnische Vereinfachung für die Zellfertigung, da dieser Prozess über ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren durchführbar ist.The described invention is in the field of electrochemical storage separators, e.g. Lithium-ion batteries. The novelty is that on the one hand by the use of the material glass in the form of glass flakes (glass flakes) a much better temperature stability, improved mechanical stability and an optimized wetting with an electrolyte liquid of the separator is achieved. On the other hand results from the direct application of the separator to an electrode procedural simplification for cell production, since this process via a roll-to-roll method is feasible.
Die Erfindung befasst sich mit der Kompositbildung von Mikrometer-Glasflakes als Separatoren und Batterieelektroden über einen Rakel-, Kalander- oder Sprühprozess. Dabei hat die Separatorschicht folgende Eigenschaften:
- • Elektrisch isolierend
- • Hochgradig permeabel für Ionen aus dem Elektrolyten
- • Hochtemperaturstabil bis mindestens 500°C ohne signifikanten Schrumpf
- • Chemisch stabil im Elektrolyten
- • Dicke vorzugsweise kleiner 200µm
- • Mechanisch stabil und flexibel
- • Gute Benetzbarkeit für organische Elektrolyten
- • Electrically insulating
- • Highly permeable to ions from the electrolyte
- • High temperature stable up to at least 500 ° C without significant shrinkage
- • Chemically stable in the electrolyte
- • Thickness preferably less than 200μm
- • Mechanically stable and flexible
- • Good wettability for organic electrolytes
Nach gegenwärtigen Stand der Technik werden meist polymerbasierte, mikroporöse Folien oder Gewebe als Separatoren für Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, welche aus mehreren Lagen unterschiedlicher Polymere mit unterschiedlichen Schmelzpunkten bestehen können [1]. Diese sind jedoch nur bis Temperaturen weit unter 200°C mechanisch stabil und zeigen bereits ab 100°C einen deutlichen Schrumpf, sodass die Funktion der physischen Trennung der Elektroden nicht mehr gewährleistet ist. Eine Weiterentwicklung daraus stellt die Beschichtung dieser polymerbasierten Membranen oder Netzstrukturen mit anorganischen, keramischen Partikeln dar [1,2,3] um die Temperaturstabilität und somit die Sicherheit zu erhöhen. Hierbei wird eine Temperaturstabilität von bis zu 250°C und zudem eine verbesserte Benetzung mit Elektrolytflüssigkeiten erreicht.According to the current state of the art, polymer-based, microporous films or fabrics are usually used as separators for lithium-ion batteries, which can consist of several layers of different polymers with different melting points [1]. However, these are mechanically stable only up to temperatures far below 200 ° C and show a significant shrinkage already from 100 ° C, so that the function of the physical separation of the electrodes is no longer guaranteed. A further development of this is the coating of these polymer-based membranes or network structures with inorganic, ceramic particles [1,2,3] to increase the temperature stability and thus safety. Here, a temperature stability of up to 250 ° C and also an improved wetting with electrolyte liquids is achieved.
Es ist jedoch kein Separator nach Stand der Technik bekannt, der die oben genannten Funktionen und Eigenschaften in gewünschter Art und Weise erfüllt.However, no separator of the prior art is known which satisfies the above functions and properties in the desired manner.
Eine Komponente moderner Separatoren nach Stand der Technik stellt meist ein Polymer dar. Daraus ergibt sich eine dementsprechend niedrige Hochtemperaturfestigkeit und eine schlechte Benetzung. Glasbasierte Separatoren sind hingegen nur als Fasermatten bekannt, welche sehr dick sind oder als poröse Glasplatten, welche mechanisch unflexibel sind.A component of modern separators according to the prior art is usually a polymer. This results in a correspondingly low high-temperature strength and poor wetting. By contrast, glass-based separators are known only as fiber mats, which are very thick or as porous glass plates, which are mechanically inflexible.
Durch den Einsatz von Glas in Form von Glasflakes in der Anordnung einer Ziegelmauerstruktur (1), gedruckt auf ein Elektrodenaktivmaterial mit Stromableiter (2,3) in der Funktion als Separator stellt eine Abgrenzung zum Stand der Technik dar (vgl. Bild 1/2). Dadurch wird zum einen eine gute Benetzung mit Elektrolyten und Permeabilität für Ionen aus dem Elektrolyten, eine hohe Stabilität bei hohen Temperaturen, eine hohe mechanische Stabilität und zugleich durch den Einsatz von Mikrometer-Glasflakes eine mechanische Flexibilität und Stabilität gewährleistet. Zudem können mit dem entwickeltem Verfahren sehr dünne Schichten von kleiner 200µm realisiert werden.By using glass in the form of glass flakes in the arrangement of a brick wall structure (1), printed on an electrode active material with current conductor (2,3) in the function as a separator is a distinction from the prior art (see Figure 1/2) , This ensures, on the one hand, good wetting with electrolytes and permeability to ions from the electrolyte, high stability at high temperatures, high mechanical stability and at the same time mechanical flexibility and stability through the use of micrometer glass flakes. In addition, with the developed method very thin layers of less than 200μm can be realized.
Technische AufgabenstellungTechnical task
Separatoren für elektrochemische Zellen, insbesondere Batterien und Akkumulatoren, sorgen für die physische Trennung der beiden Elektroden, Anode und Kathode und verhindern so einen Kurzschluss dieser. Zudem müssen Separatoren permeabel für Ionen sein um Zellreaktionen wie die Be- / oder Entladung zu ermöglichen. Weiterhin müssen Separatoren chemisch stabil im Elektrolyten und auch mechanisch stabil sein. Zudem müssen Separatoren auch bei hohen Temperaturen ihre Funktion der physischen Trennung der Elektroden zuverlässig erfüllen. In verfahrenstechnischer Hinsicht muss ein Separator einen Flüssigelektrolyten möglichst schnell aufnehmen können um die Zeit beim Zellbau zu verringern. Weiterhin sollte ein Separator möglich dünn gefertigt sein, um den zur Verfügung stehenden Platz in einer Batterie-Zelle oder einem Akkumulator mit möglichst viel Aktivmaterial ausfüllen zu können und im Umkehrschluss eine hohe spezifische Kapazität der Zelle zu erreichen.Separators for electrochemical cells, especially batteries and accumulators, provide for the physical separation of the two electrodes, anode and cathode and thus prevent a short circuit of these. In addition, separators must be permeable to ions to allow cell reactions such as loading and / or unloading. Furthermore, separators must be chemically stable in the electrolyte and also mechanically stable. In addition, separators must reliably fulfill their function of physically separating the electrodes, even at high temperatures. In terms of process technology, a separator must be able to absorb a liquid electrolyte as quickly as possible in order to reduce cell construction time. Furthermore, a separator should be made thin in order to fill the available space in a battery cell or accumulator with as much active material and vice versa to achieve a high specific capacity of the cell.
Ein Separator für elektrochemische Speicher, beispielsweise einer primären oder sekundären Lithium-Ionen-Batterie muss folgende Anforderungen erfüllen:
- • Physische Trennung der eingesetzten Elektroden
- • Permeabel für Ionen aus dem Elektrolyten
- • Temperaturstabil über weiten Temperaturbereich
- • Mechanisch stabil
- • Chemisch stabil im Elektrolyten
- • Geringe Dicke
- • Gute Benetzbarkeit für Elektrolyten
- • Physical separation of the electrodes used
- • Permeable to ions from the electrolyte
- • Temperature stable over a wide temperature range
- • Mechanically stable
- • Chemically stable in the electrolyte
- • Small thickness
- • Good wettability for electrolytes
Technische Lösung der AufgabenstellungTechnical solution of the task
Glas kann durch spezielle Fertigungsverfahren zu dünnen Glasplättchen verarbeitet werden, beispielsweise durch einen Rotationszerstäubungsprozess. Mit der jeweiligen Anpassung der Prozessparameter können Glasflakes unterschiedlicher Dicken hergestellt werden. Üblicherweise können hier Glasplättchen mit mittleren Dicken im Bereich von 0,1-30µm und mittleren Kantenlängen von 5-200µm hergestellt werden. Daraus ergibt sich üblicherweise ein spezifisches Aspekt-Verhältnis (Verhältnis Kantenlänge / Dicke) im Bereich von 1:5 bis 1:100.Glass can be processed by special manufacturing processes to thin glass slides, for example by a Rotationszerstäubungsprozess. With the respective adaptation of the process parameters glass flakes of different thicknesses can be produced. Typically, glass slides with average thicknesses in the range of 0.1-30 μm and average edge lengths of 5-200 μm can be produced here. This usually results in a specific aspect ratio (edge length / thickness ratio) in the range of 1: 5 to 1: 100.
Zur Herstellung von Glasflakes wird zunächst das Glas in einer Glasschmelzanlage oder einem Schmelztiegel erschmolzen. Hierbei werden üblicherweise, je nach Glaszusammensetzungen, Temperaturen im Bereich von 900-1600°C benötigt. Für die angegebenen Glaszusammensetzungen eignen sich Temperaturen im Bereich von 1350°C (Typ 1/2) bis 1600°C (Typ 3).For the production of glass flakes, the glass is first melted in a glass melting plant or a crucible. Here, depending on the glass compositions, temperatures in the range of 900-1600 ° C are usually required. For the glass compositions given, temperatures ranging from 1350 ° C (Type 1/2) to 1600 ° C (Type 3) are suitable.
Gläser sind unterschiedlich stabil in organischen Medien, verbunden mit Leitsalzen, beispielsweise einem Elektrolyten, beispielsweise bestehend aus Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat als Lösungsmittel und Lithiumhexaflourophosphat (LiPF6) als Leitsalz.Glasses are differently stable in organic media, connected with conductive salts, for example an electrolyte, for example consisting of ethylene carbonate and dimethyl carbonate as the solvent and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as conductive salt.
Folgende Glaszusammensetzung wurde für die Herstellung von Glasflakes als chemisch stabil im Elektrolyten befunden:
Tabelle 1: Glaszusammensetzung für Separatorgläser
Im Allgemeinen können die Gläser (Typ 1 bis Typ 3) folgende Bestandteile enthalten (in mol-% auf Oxidbasis): SiO2 (0,1-75), B2O3 (0-70), Na2O (0-16), Li2O (0-16), Al2O3 (0-5), ZrO2 (0-5), SnO2 (0-1), TiO2 (0-1), K2O (0-1), MoO3 (0-1), RO (<15%), R2O3 (<15%), Läutermittel in üblichen Mengen von bis zu 2%, wobei RO der Summengehalt an ZnO, MgO, CaO, BaO und R2O3 der Summengehalt an Fe2O3 und Sb2O3 ist.In general, the glasses (type 1 to type 3) may contain the following constituents (in mole% based on oxide): SiO 2 (0.1-75), B 2 O 3 (0-70), Na 2 O (0-70) 16), Li 2 O (0-16), Al 2 O 3 (0-5), ZrO 2 (0-5), SnO 2 (0-1), TiO 2 (0-1), K 2 O ( 0-1), MoO 3 (0-1), RO (<15%), R 2 O 3 (<15%), refining agents in conventional amounts of up to 2%, where RO is the sum of ZnO, MgO, CaO , BaO and R 2 O 3 is the sum amount of Fe 2 O 3 and Sb 2 O 3 .
Für die beschriebene Entwicklung werden Glasflakes möglichst geringer Dicke hergestellt. Mit der Zugabe eines Binders / Lösungsmittel in einem speziellen Verhältnis ergibt sich eine mit einem Rakel-, Kalander,- Sprüh- oder Tauchbeschichtungsprozess verarbeitbare Masse definierter Viskosität. Als Binder kommen können polymerbasierte Binder oder organische Binder auf Wasserbasis oder mit organischen Lösungsmitteln in einem Verhältnis von Binder zu Lösungsmittel von 1:10 bis 1:100 verwendet werden. Dazu zählen beispielsweise PVDF, Cellulosen, Stärken, Alginate, Guar, StyrolButadien-Kautschuk (SBR), Polyacryl-Säure (PAA), sowie Modifikationen oder Mischungen derer.For the development described glass flakes are produced as small as possible thickness. With the addition of a binder / solvent in a specific ratio results in a processable with a doctor blade, calender, - spray or dip coating process mass of defined viscosity. Binder may be polymer-based binders or organic water-based binders or organic solvents a ratio of binder to solvent of 1:10 to 1: 100 can be used. These include, for example, PVDF, celluloses, starches, alginates, guar, styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylic acid (PAA), as well as modifications or mixtures thereof.
Die Suspension aus Glasflakes und Binder wird mit einer definierten Schichtdicke direkt auf eine Elektrode aufgebracht, sodass diese vollständig bedeckt wird. Dabei wird durch Anpassung der Verarbeitungsparameter, beispielsweise bei einem Rakelprozess, eine Ausrichtung der Glasflakes in die horizontale Ebene erreicht, wobei sich mehrere Glasflakes jeweils überlappen. Limitiert wird die Schichtdicke, bei der Annahme von mindestens 3-5 Lagen auf eine Elektrode aufgebrachten Glasflakes in horizontaler Ebene übereinander, durch die mittlere Dicke der hergestellten Glasflakes. Demnach ergeben sich Schichtdicken im Bereich von 20-200µm. Der Binderanteil in der Suspension kann eingestellt werden und beträgt 0,5-30 Gewichts-%. Die aufgebrachte Glasflake-Binder-Suspension wird anschließend getrocknet, vorzugsweise unter Vakuum oder an Luft, und der Elektrode-Separator-Verbund kann in eine elektrochemische Zelle verbaut werden.The glass flake and binder suspension is applied directly to an electrode with a defined layer thickness so that it is completely covered. In this case, an alignment of the glass flakes is achieved in the horizontal plane by adjusting the processing parameters, for example in a doctor blade process, with several glass flakes overlap each. The layer thickness is limited, assuming at least 3-5 layers of glass flakes applied to an electrode in a horizontal plane on top of each other, by the average thickness of the glass flakes produced. Accordingly, there are layer thicknesses in the range of 20-200μm. The binder content in the suspension can be adjusted and is 0.5-30% by weight. The applied glass flake binder suspension is then dried, preferably under vacuum or in air, and the electrode-separator composite can be installed in an electrochemical cell.
Neuheitsvorsprung, gewerbliche SchutzrechteInnovation advantage, industrial property rights
Veröffentlichungen zu glasbasierten Separatoren sind vorhanden, grenzen sich aber deutlich von der beschriebenen Entwicklung ab.Publications on glass-based separators are available, but are clearly different from the described development.
Die Veröffentlichung [4] beschreibt einen Batterieseparator, der eine poröse, ionendurchlässige Glasscheibe oder Glaskeramik, welche beispielsweise hergestellt werden mittels bekannter Ziehverfahren, insbesondere dem Down-Draw-Verfahren. Hierbei werden jedoch keine Glasflakes beschrieben.The publication [4] describes a battery separator comprising a porous, ion-permeable glass sheet or glass-ceramic, which are produced, for example, by means of known drawing methods, in particular the down-draw method. However, no glass flakes are described here.
Die Veröffentlichungen [5,6] beschreiben Glasseparatoren auf der Basis von Glasvliesen, welche für VLRA AGM-Batterien eingesetzt werden.The publications [5, 6] describe glass separators based on glass webs, which are used for VLRA AGM batteries.
Die Veröffentlichungen [7] gedruckte Batterien beschreibt eine gedruckte Batterie, bei der die Stromableiter, Elektrodenmaterialen und Separatoren mittels Dispersionen zu Verbunden verarbeitet werden. Hierbei jedoch nicht explizit spezifiziert, dass Glasflakes als Separatoren verwendet werden, sondern lediglich elektrisch nichtleitende Fasern und/oder Partikel verwendet werden.The publications [7] printed batteries describes a printed battery in which the current conductors, electrode materials and separators are processed by means of dispersions. Here, however, not explicitly specified that glass flakes are used as separators, but only electrically non-conductive fibers and / or particles are used.
Weiterhin existieren Veröffentlichungen, die sich jedoch auf die Beschreibung von polymerbasierten Separatoren oder mit keramischen Partikeln verstärkte polymerbasierte Separatoren beschränken [1-3,9].Furthermore, there are publications which, however, are limited to the description of polymer-based separators or ceramic-particle-reinforced polymer-based separators [1-3,9].
Die Veröffentlichung [8] beschreibt ein Glas, welches in Li-Ionen-Batterien eingesetzt werden kann um die Hochratenfähigkeit zu verbessern. Hierbei werden zwar Verfahren wie Drucken der Gläser auf Elektroden geschützt, jedoch wird spezifiziert, dass das Glas in Form von Partikeln (keine Flakes) verwendet wird und bestenfalls auf ein Polymer oder zusammen mit einem Polymer zu einem selbsttragenden Separator verarbeitet wird. Weiterhin wird beschrieben, dass das Glas möglichst Na2O-frei sein soll. Hauptanwendung des Glases soll hierbei ein Elektrodenzusatz sein.The publication [8] describes a glass which can be used in Li-ion batteries to improve high rate capability. Although methods such as printing the glasses on electrodes are protected, it is specified that the glass is used in the form of particles (no flakes) and is at best processed on a polymer or together with a polymer to form a self-supporting separator. Furthermore, it is described that the glass should be as far as possible Na 2 O-free. The main application of the glass should be an electrode additive.
Die Veröffentlichung [10] beschreibt einen auf eine Elektrode aufgebrachten Separator, wobei dieser aus speziellen Li-Ionen-Leitfähigen Keramiken oder Gläsern besteht. Eine Spezifizierung der Form, im Falle der genannten Gläser, ist nicht gegeben. Weiterhin unterscheiden sich die angegebenen Gläser deutlich von der hier beschriebenen Glaszusammensetzung.Publication [10] describes a separator applied to an electrode, which is made of special Li-ion conductive ceramics or glasses. A specification of the shape, in the case of the glasses mentioned, is not given. Furthermore, the indicated glasses differ significantly from the glass composition described herein.
Die Veröffentlichung [11] beschreibt einen glasbasierten Separator, bestehend aus Glasfasern und Glasplättchen. Hierbei handelt es sich jedoch um einen selbsttragenden Separator, welcher nicht direkt auf eine Elektrode gedruckt wird. Weiterhin zeigen sich bei der angegebenen Zusammensetzung des Glases deutliche Unterschiede zur hier beschriebenen Erfindung. Zudem ergeben sich bei dieser Veröffentlichung deutliche Unterschiede bei der angegebenen Porosität und dem Füllgrad von Glasflakes im Separator.The publication [11] describes a glass-based separator consisting of glass fibers and glass plates. However, this is a self-supporting separator, which is not printed directly on an electrode. Furthermore, the given composition of the glass shows significant differences from the invention described here. In addition, this publication results in significant differences in the specified porosity and the degree of filling of glass flakes in the separator.
Ausführungsbeispielembodiment
Glasflake-HerstellungGlass flake production
Ein Glas definierter Zusammensetzung (Typ 1; vgl. Tabelle 1) wird in einer Glasschmelzanlage oder in einem Schmelztiegel bei Temperaturen von 1350°C erschmolzen. Dabei wurde eine Aufheizrate von 10°C/min sowie eine Haltezeit von 2h bei 1350°C gewählt. Die Glasschmelze definierter Viskosität wird in eine mit 10000 rpm rotierende und mit 800°C vorbeheizte Zerstäubereinheit eines Rotationszerstäubers gegossen. Durch die Zentrifugalkraft wird die Glasschmelze über den Rand der Zerstäubereinheit in Form eines Films (Lamelle) herausgeschleudert, welcher durch die vorherrschenden Kräfte weiter gestreckt wird bis das Glas durch Abkühlung bricht. Über eine Absaugung mit zwischengeschaltetem Zyklon werden die Glashalbzeuge aus der Rotationszerstäuberapparatur ausgetragen. Das Produkt sind Glasplättchen (Glasflakes).A glass of defined composition (type 1, see Table 1) is melted in a glass melting plant or in a crucible at temperatures of 1350 ° C. In this case, a heating rate of 10 ° C / min and a hold time of 2h at 1350 ° C was selected. The molten glass of defined viscosity is poured into a rotating at 10,000 rpm and pre-heated at 800 ° C atomizer unit of a rotary atomizer. Due to the centrifugal force, the glass melt is ejected over the edge of the atomizer unit in the form of a film (lamella), which is further stretched by the prevailing forces until the glass breaks by cooling. About a suction with intermediate cyclone, the glass semi-finished products are discharged from the rotary atomizer. The product is glass flakes (glass flakes).
Suspensions-HerstellungSuspension production
In der Größe klassierte Glasflakes werden zusammen mit einer Binderlösung vermengt, wobei die mittlere Kantenlänge der verwendeten Glasflakes kleiner 32µm und die mittlere Dicke kleiner 7µm betragen. Dabei kommt ein bereits vorgefertigter Binder (modifizierte Kartoffelstärke) in einem wässrigen Lösungsmittel in einem Verhältnis von 1:10 zum Einsatz. Dabei werden die Mischungsverhältnisse so angepasst, dass sich eine passende Verarbeitbarkeit über ein Rakel-, Kalander,- Sprüh- oder Tauchbeschichtungsverfahren ergibt. Vermischt werden die Komponenten über einen Rotationsmischer für 10 Minuten mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 1500 rpm.Size-classified glass flakes are blended together with a binder solution, the mean edge length of the glass flakes used being less than 32 μm and the mean thickness being less than 7 μm. In this case, an already prepared binder (modified potato starch) in an aqueous solvent in a ratio of 1:10 is used. The mixing ratios are adjusted so that a suitable processability via a doctor blade, calender, spray or dip coating method results. The components are mixed via a rotary mixer for 10 minutes at a rotational speed of 1500 rpm.
Herstellung des Elektrode-Separator-VerbundesProduction of the electrode-separator composite
Die Glasflake-Binder-Suspension wird, z.B. über ein Rakelverfahren, direkt auf die Elektrode mit einer definierten Schichtdicke aufgebracht. Dabei wurde eine automatische Vorschubgeschwindigkeit von 2,5mm/s gewählt und die Höhe des Rakels auf die gewünschte Schichtdicke plus die Dicke der Elektrode eingestellt. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Dicke der Elektrode (Aktivmaterial inkl. Stromableiter) 120µm. Somit wurde das Rakel auf eine Höhe von 170µm eingestellt, um eine Separatoren-Schichtdicke von 50µm zu erhalten. Nach dem Rakelprozess wird die mit einer Separatorschicht bedruckte Elektrode vorzugsweise unter Vakuum getrocknet.The glassflake binder suspension is added, e.g. via a doctor blade method, applied directly to the electrode with a defined layer thickness. An automatic feed rate of 2.5mm / s was selected and the height of the squeegee adjusted to the desired layer thickness plus the thickness of the electrode. In the present example the thickness of the electrode (active material incl. Current conductor) is 120μm. Thus, the squeegee was set to a height of 170μm to obtain a separator layer thickness of 50μm. After the doctoring process, the electrode printed with a separator layer is preferably dried under vacuum.
Elektrochemische MessungenElectrochemical measurements
Elektrochemische Messungen wurden mit einer aus Swagelokteilen aufgebauten Messzelle, aufgebaut durchgeführt. Der Zellbau erfolgt unter Inergasatmosphäre in einer Handschuhbox. Hierbei wird zunächst die mit der Separatorschicht bedruckte Elektrode in die leere Messzelle gelegt und mit Elektrolyt benetzt. Komplettiert wird der Zellaufbau mit einer entsprechenden Gegenelektrode und wahlweise einem Metallblech und einer Metallfeder, bevor die Zelle gasdicht verschlossen wird. Als Aktivmaterialien wurden Graphit als Anodenmaterial und Lithiumeisenphosphat (LFP) als Kathodenmaterial verwendet.Electrochemical measurements were carried out using a measuring cell constructed from swagelok parts. Cell construction takes place under an inert gas atmosphere in a glove box. Here, the printed with the separator layer electrode is first placed in the empty measuring cell and wetted with electrolyte. The cell assembly is completed with a corresponding counter electrode and optionally a metal plate and a metal spring, before the cell is sealed gas-tight. The active materials used were graphite as the anode material and lithium iron phosphate (LFP) as the cathode material.
Durchgeführt wurden Impedanzanalysen sowie Be- & Entladungen, wobei sich herausstellte, dass mit den hergestellten Separatoren ausgestatteten Zellen hervorragende elektrochemische Eigenschaften aufweisen.Impedance analyzes as well as loading and unloading were carried out and it turned out that cells equipped with the produced separators have excellent electrochemical properties.
Der Innenwiderstand einer Testzelle, ausgestattet mit einer mit glasbasiertem Separator bedruckten Elektrode zeigt Werte, die gegenüber von Testzellen mit polymerbasierten Separatoren nach Standes der Technik, um 20-40% niedriger liegen. Dies liegt an den Porendurchmessern, die im Bereich von 0,1-5µm gemessen wurden, wobei die Mehrheit der Poren einen mittleren Porendurchmesser von 3µm aufwiesen, und der somit einhergehenden optimierten Diffusion von Ionen durch den Separator. Ermittelt wurden die Porositätswerte, sowie die Werte für die mittleren Porendurchmesser durch Messungen mittels Quecksilber-Porosimetrie.The internal resistance of a test cell equipped with a glass-based separator printed electrode shows values that are 20-40% lower compared to test cells with polymer-based separators according to the prior art. This is due to pore diameters measured in the range of 0.1-5μm with the majority of the pores having an average pore diameter of 3μm and the concomitant optimized diffusion of ions through the separator. The porosity values and the values for the average pore diameters were determined by measurements by means of mercury porosimetry.
Bei zyklischen Belastungstests von Testzellen mit glasbasierten gedruckten Separatoren konnte festgestellt werden, dass zum einen eine hohe Zyklenstabilität erreicht werden kann (Coulomb-Effizienz >99,9% bei 1C Strombelastung; Entladetiefe 100%) und zum anderen die Testzellen auch mit sehr hohen Strömen belastet werden können, ohne dass der Separator hierbei einen signifikant limitierenden Faktor darstellt. So konnte bei einer Strombelastung von 10C (Vollständige Be- und Entladung der Batteriezelle binnen 6 Minuten bei 100% Entladetiefe) noch 40% der nominellen Kapazität be- und entladen werden. Dies zeigt, dass die beschriebene Entwicklung auch für Batterien im Schnellladebetrieb eingesetzt werden können.In cyclic load tests of test cells with glass-based printed separators, it was found that, on the one hand, high cycle stability can be achieved (Coulomb efficiency> 99.9% at 1 C current load, discharge depth 100%) and, on the other hand, the test cells are also exposed to very high currents can be, without the separator is a significant limiting factor. At a current load of 10C (complete charging and discharging of the battery cell within 6 minutes at 100% discharge depth), 40% of the nominal capacity could still be charged and discharged. This shows that the development described can also be used for batteries in fast charging mode.
Thermische Stabilität / BenetzungsverhaltenThermal stability / wetting behavior
Zur Untersuchung der thermischen Stabilität wurden selbsttragende glasbasierte Separatoren einem Glasvlies in der Funktion einer Stützmatrix hergestellt und definiert bis 600°C erhitzt (Hot-Ofen-Test). Dabei kann kein signifikanter Schrumpf (<2% bei 600°C) festgestellt werden. Zudem bleibt die mechanische Integrität größtenteils erhalten. Weiterhin konnte der beschriebene glasbasierte Separator beim sog. Hot-Punch-Test nicht mit einem heißen Dorn (2mm Durchmesser, 200°C) bei einem Druck von bis zu 1,5kg/mm2 durchstoßen werden (Hot-Punch-Test).To investigate the thermal stability, self-supporting glass-based separators were produced in a glass mat in the function of a support matrix and heated to 600 ° C. (hot-oven test). No significant shrinkage can be detected (<2% at 600 ° C). In addition, the mechanical integrity is largely retained. Furthermore, the glass-based separator described in the so-called hot-punch test do not pierce with a hot mandrel (2mm diameter, 200 ° C) at a pressure of up to 1.5kg / mm 2 (hot-punch test).
Das Benetzungsverhalten wurde mittels einer Kontaktwinkelmessung analysiert. Hier wurde ein Kontaktwinkel von kleiner 15° festgestellt. Es wird zusätzlich vermerkt, dass ein Tropfen (10µl) des zur Messung verwendeten Elektrolyten instantan (<50ms) vollständig in die Separatorschicht aufgenommen wird.The wetting behavior was analyzed by means of a contact angle measurement. Here, a contact angle of less than 15 ° was found. It is additionally noted that one drop (10 .mu.l) of the electrolyte used for the measurement is absorbed instantaneously (<50 ms) completely into the separator layer.
Literaturquellenliterature sources
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: VITRULAN TEXTILE GLASS GMBH, DE Free format text: FORMER OWNERS: GERDES, THORSTEN, DR.-ING., 95488 ECKERSDORF, DE; SCHADECK, ULRICH, M. SC., 95444 BAYREUTH, DE |
|
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0002160000 Ipc: H01M0050409000 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: VITRULAN TEXTILE GLASS GMBH, DE Free format text: FORMER OWNERS: GERDES, THORSTEN, PROF. DR.-ING., 95488 ECKERSDORF, DE; SCHADECK, ULRICH, M. SC., 95444 BAYREUTH, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PFENNING, MEINIG & PARTNER MBB PATENTANWAELTE, DE |
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R012 | Request for examination validly filed |