电极和用于制造电极的方法

电极和用于制造电极的方法
【专利摘要】本发明涉及用于制造电极的方法，该方法具有方法步骤：a)提供预成型的活性材料层（10），和b)在构造具有导电材料的集流器层的情况下将所述导电材料施加到活性材料层（10）上。这种方法提供特别成本低的方式，以便能够特别是定义地和无次品地制造电极。本发明还涉及电极。
【专利说明】电极和用于制造电极的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电极。另外，本发明涉及一种用于制造电极的方法。

【背景技术】
[0002] 在制造例如用于锂离子电池单元的电极、诸如薄膜状电极时，电池材料经常以悬 浮液或浆液的形式被施加到集流器上。该集流器在此大多以金属方式被构建，其中根据待 制造的电极选择金属。集流器在此可以在涂层之前由滚筒展开并且在涂层之后再次卷起。 此外，例如借助于对流干燥或IR干燥对经涂层的集流器薄膜进行干燥，在该干燥中可以去 除浆液的溶剂。接着大多进行压延，以便调整例如在干燥时所构造的多孔性。随后进行电 极的成型。
[0003] 从文献DE 10 2010 062 140 A1 和 DE 10 2010 062 143 A1 中例如已知一种用于 制造电池电极的方法。在这种方法中首先利用活性材料对集热器衬底基本上完全进行涂层 并且接着对该经涂层的产品进行压延。此外，这种方法包括用于构造导电体区域的材料剥 蚀并且通过切除或冲裁电极来从集热器衬底来成型出电极。
[0004] 文献DE 10 2011 003 722 A1描述了用于电池单元的导电体，所述导电体被构造 为薄膜并且具有结构元件，所述结构元件放大在薄膜和活性材料之间的有效接触面。在用 于具有这种导电体的电池的制造方法中，给导电体配备活性材料。


【发明内容】

[0005] 本发明的主题是一种用于制造电极的方法，该方法具有方法步骤： a) 提供预成型的活性材料层，和 b) 在构造具有导电材料的集流器层的情况下将所述导电材料施加到活性材料层上。
[0006] 前述方法允许制造电极，其中集流器具有基本上可自由选择的厚度并且在此另外 可以特别好地粘附在活性材料层上。
[0007] 为此，用于制造电极的该方法根据方法步骤a)包括提供预成型的活性材料层。该 活性材料层在此可以具有用于对应储能器的本身已知的组分。对于制造用于锂离子电池的 电极的示例性和非限制性情况，用于阳极的活性材料例如可以包括石墨，而用于阴极的活 性材料例如可以包括锂盐，诸如锂镍钴锰氧化物（NCM)或锂锰氧化物（LM0)。活性材料因此 尤其是可以参与储能器的主动充电过程或放电过程的材料或物质或物质混合物。在此，活 性材料层除了实际活性材料之外还可以具有粘合剂，诸如聚偏氟乙烯（PVDF)，其中前述活 性材料分布在所述粘合剂中。除此之外，可以添加传导添加物，例如导电的碳化合物，诸如 炭黑。
[0008] 所提供的活性材料层在此本身可以已经是稳定的，或者例如被提供在对应的载体 上。按照应用领域可以如期望的那样被影响的稳定性尤其是可以通过所添加的粘合剂材料 的类型和数量来加以调整。
[0009] 此外，活性材料层根据方法步骤a)被预成型。预成型的活性材料层在此在本发明 的意义上尤其是可以意味着，活性材料层已经在该时刻、也即基本上在配备集流器材料或 配备集流器层之前就可以具有所期望的、尤其是最终的电极形状。因此，如这在下面阐述的 那样，可以取消对尤其是具有在另一方法步骤中施加的集流器的活性材料层的随后切除、 冲裁等。
[0010] 在另一方法步骤b)中，在构造具有导电材料的集流器层的情况下将该导电材料 施加到活性材料层上。因此，在该方法步骤中将导电材料施加到预成型的活性材料层上或 施加到该活性材料层的定义区域上。该施加原则上可以以每种适用于电极制造本身的方式 进行。导电材料在此另外尤其是可以是具有处于大于或等于35 · 106S/m的范围中的电导 率的这种材料。
[0011] 集流器或集流器层的材料在此尤其是可以是金属。例如，集流器层对于制造阴极 的情况可以由铝构造，而对于制造阳极的情况，集流器例如可以由铜构造。
[0012] 因此前述方法尤其是基于：使用已经成型的和从而尤其是基本上以最终形状或基 本上以最终几何形状构成的活性材料层并且在构造集流器层的情况下给该活性材料层配 备导电材料。
[0013] 此外前述方法在此可以具有优点，即可以减少或完全防止随着为了稍后的运行对 已完成的电极的成型、例如切割而引起的缺点或风险。
[0014] 详细地，可以通过前述方法通过使用预成型的活性材料层防止通过切割或冲压而 构造出冲压毛刺，所述冲压毛刺可能对电极的稍后运行或可能效率具有消极影响。另外可 以防止在不期望的部位处的在成型时可能从活性材料层脱开的颗粒在稍后运行时可能触 发电池单元中的短路并且可能从而损坏或破坏所述电池单元。相反地，根据本发明可以实 现电极的特别长时期的和安全的运行。
[0015] 此外，在涂敷活性材料层之后可以获得稳定的电极，其中例如不会由于通过冲压 引起的机械应力而导致活性材料层或其区域的剥落，或者不会例如在激光切割时在电极的 边缘区域处出现变形或者不会由于激光引起的高能量产量而使材料或电极组成改变。因为 如前面描述的这种影响在电极中是不期望的，所以根据现有技术经常对经涂层的材料进行 不正确切削。但是这种不正确切削根据本发明可以被防止，这尤其是由于电池成本的创造 价值链内的高材料成本而可以降低过程成本和由此能够实现特别成本低的制造。
[0016] 此外可以在不减少功率的消极影响的情况下进行特别定义的构型，由此也可以特 别高地和以定义的方式构成功率数据。
[0017] 在此，另外可以在简单的过程监督情况下实现特别轻快的过程控制，其中基本上 可以动用现有的设备工程（An 1 agent e chn i k )，这可以是特别可靠的。
[0018] 此外，通过前述方法可以产生活性材料层的特别显现的均质性，其中集流器此外 可以特别好地粘附在活性材料层上，这可以实现电极的特别稳定的、均匀的和所定义的效 率。
[0019] 此外，可以在两侧或尤其是有利地在一侧施加集流器层，这在本发明的意义上尤 其是可以意味着，仅活性材料层的一侧被涂层，而与被涂层的侧相对布置的另一侧不被涂 层。另外，活性材料层的侧区域可以根据应用领域而被涂层或保持露出。
[0020] 总之，前述方法从而允许特别稳定地、成本低地、以定义的方式和以稍后待运行的 电极的高功率品质来产生电极，其中尤其是随着在集流器和活性材料之间的改善的电导率 和集流器在活性材料层上的改善的粘附性而可以实现在活性材料和集流器之间的改善的 接触。
[0021] 在一种构型的范围中，导电材料可以通过喷射、蒸镀、刮片涂抹（aufrakeln)或印 刷而被施加到活性材料层上。尤其是通过这种物理方法(蒸镀）或者化学方法(喷射）或者 其他所提到的方法，导电的、如尤其是金属的材料的施加可能导致特别薄的集流器层。这尤 其是可以减少电极的重量，这尤其是在移动应用情况下可以是有利的，并且这可以另外节 省所沉积的材料的材料，这可以进一步降低该方法的成本。尤其是这种薄的集流器层利用 根据现有技术的涂层方法是不可能的或者以仍值得改善的方式可能。
[0022] 此外，通过导电材料的这种施加可以通过在活性材料层或活性材料本身与导电材 料之间所显现的啮合来产生特别紧密的接触，这也通过大的接触表面导致特别小的接触电 阻并且在此实现特别好的电导率。由此可以能够实现装备有这种电极的储能器的特别有效 的工作。
[0023] 另外，可以通过前述施加和通过导电材料与活性材料层的前述特别紧密的接触实 现集流器在活性材料层上的特别好的粘附性，这在装备有这种电极的储能器的许多充电或 放电循环之后也能实现特别高的长时间稳定性。
[0024] 此外，上述方法的特征在于，所述方法可以非常好地被操纵并且在此实现高的过 程安全性，这导致能够产生特别是所定义的产品。此外，可以使用现有的设备工程来沉积金 属，使得即使在这里也不需要新的开发，而是相反地可以动用现有的经验财富。这也可以进 一步降低该方法的成本。最后，这种方法可以在不通过所展示的活性材料层的几何形状限 制的情况下加以应用，这可以实现进一步改善的可适配性。
[0025] 在另一构型的范围中，在方法步骤b)中可以产生具有导电材料的集流器层，所述 集流器层具有处于小于8 μ m的范围中、尤其是处于从大于或等于1 μ m尤其是至小于或等 于5μπι的范围中的厚度，例如处于大于或等于2μπι至小于或等于3μπι的范围中的厚度。 从而尤其是在该构型中，可以为集流器产生通过由现有技术已知的方法不能实现的层厚。 在此，这样薄的层的优点尤其是可以在所制造的电极的尽可能小的重量方面被看出，并且 此外在特别成本低的可制造性方面被看出。在此，尤其是可以根据关于在运行所制造的电 极时出现的待排出的电流强度的要求来选择层厚。集流器薄膜的厚度在此还可以尤其是根 据电极的期望的稳定性或活性材料层本身的稳定性来加以选择。当例如活性材料层已经具 有足够的稳定性时，集流器层的厚度可以对应地被选择得小。而当活性材料或活性材料层 本身仅具有有限的稳定性时，集流器的较大厚度可以是有利的。
[0026] 在另一构型的范围中，可以在使用掩模的情况下执行方法步骤b)。尤其是在使用 掩模的情况下可以将集流器层的通过对活性材料层的不要涂层的区域的遮蔽或覆盖精确 定义的结构施加到活性材料层上。因此期望的和精确定义的区域可以从涂层露出，所述区 域例如不应被配备集流器材料。例如，集电器或其他接触区域或应该配备其他构件的区域 不能被配备集流器材料。因此在该构型中也可以在前述方法中产生特别是可自由选择的电 极结构，这可以更进一步地扩大该方法的应用广度。掩模例如可以由可成型或可切割的金 属构造，例如由所述金属组成，例如铝或还有不锈钢。
[0027] 在另一构型的范围中，可以通过挤压方法来提供活性材料层。尤其是通过挤压方 法可以产生具有活性材料的层，所述层本身已经具有良好的稳定性并且因此可以特别好地 适用于前述方法。尤其是在该构型中可以制造或提供具有活性材料的层，所述层在特别小 的厚度下也具有良好的稳定性，使得对应的层即使在不设置载体材料、例如载体薄膜的情 况下也可以被处理，或者可以配备具有金属材料的层。在此，可挤压性例如可以通过活性材 料层的具体组成来加以调整，例如通过适当地调整现有粘合剂的数量来加以调整。
[0028] 在另一构型的范围中，可以通过切割或冲压来预成型活性材料层。在该构型中，在 此尤其是可以产生高度精确的电极结构，所述电极结构具有特别是定义的几何形状。此外， 上述方法基本上在技术上成熟地和另外毫无问题地可应用于电极的制造方法。因此所述成 型方法的优点在前述方法的情况下也可以被保留，但不出现其在对用活性材料涂层的集流 器成型时的缺点。
[0029] 在另一构型的范围中，该方法可以具有另外的方法步骤： c) 将在方法步骤b)中所获得的产品与具有活性材料的另外的层并且与接触元件接 合，使得具有所沉积的导电材料的集流器层布置在具有活性材料的两个层之间，并且接触 元件为了接触而至少部分暴露并且与具有所沉积的导电材料的集流器层接触，或者其中 该方法包括另外的方法步骤： d) 在方法步骤b)之前将接触元件布置在活性材料层的至少一部分上并且使按照方法 步骤b)所获得的产品的集流器层与另外的活性材料层接触。
[0030] 从而在方法步骤c)中将在方法步骤b)中所获得的产品、也即具有所施加的导电 材料的活性材料层作为集流器层与另外的活性材料层接合。在此，尤其是可以使用相同 的活性材料层或相同构成的活性材料层。在此，在活性材料层和集流器之间以接触的方 式、也即尤其是与集流器层导电接触地插入接触元件或集电器。接触元件例如可以是导 电材料的薄膜，例如与先前沉积的相同的材料。尤其是可以使用所谓的集流器长条校样 (Stromsammlerfahne)。但是原则上作为接触元件可以使用任意至少部分导电的构件，其可 以被添入到层序列中并且通过以下方式可以由外部被电接触，即所述构件为了接触而至少 部分地暴露、也即尤其是相对于活性材料层伸出。在方法步骤c)中所产生的层序列在此至 少在接触元件的区域中包括活性材料、导电材料、接触元件、活性材料这些层。例如，层序列 以前述顺序由这些层组成。
[0031] 这种层序列同样地可以通过以下方式获得，即在方法步骤b)之前将接触元件布置 在活性材料层的至少一部分上或至少局部有限地或也完全地布置在活性材料层上。接着可 以使按照方法步骤b)获得的产品与另外的活性材料层接触。从而在该构型中，接触元件或 集电器在施加导电材料或集流器之前被实现。在此，可以将导电材料不仅施加到活性材料 层上而且同样可以施加到接触元件的布置在活性材料层上的区域上。从而在完全将接触元 件施加到活性材料层上时，在方法步骤b)中将导电材料间接地施加到活性材料层上。
[0032] 在方法步骤b)或方法步骤c)之后可以完成电极。在此，对于技术人员可以看出 的是，尤其是具有活性材料和所施加的导电材料的层尤其是通过选择导电材料的所产生的 层厚以及选择活性材料层的层厚和组成、例如粘合剂的分量来构成为，使得所完成的电极 可以根据期望的应用领域、例如作为稳定的固定的电极或也作为可弯曲的薄膜来构成，如 对于技术人员而言对于电极本身是已知的那样。
[0033] 在另一构型的范围中，可以通过层压执行方法步骤c)。尤其是通过对层进行层压 可以也将最薄的层相互连接，其中另外可获得特别固定的复合体。因此在该构型中对于电 极可以获得特别稳定的外形，即使层厚非常小。此外，层压是特别成熟的和成本低的方法。 层压在此可以通过以下方式来执行，即各个层尤其是与接触元件一起被引导通过辊式压力 机或者在压力机中被压制。在此，压制尤其是可以在对层进行加热的情况下进行，使得存在 的粘合剂软化，以便从而实现层的粘附或固定连接。可能的和非限制性的参数在此包括处 于大约160°C的范围中的温度和处于大约100kg的范围中的压制压力。
[0034] 在另一构型的范围中，可以以可松开地施加到载体材料上的方式提供活性材料 层。尤其是在该构型中，可以提供特别薄的活性材料层，所述活性材料层不需要满足对其 稳定性的太高要求。因此活性材料层在该构型中尤其是可以特别自由地和基本上在制造方 法方面无限制地被产生，这可以允许待制造的电极或待制造的储能器的特别大的应用多样 性。在此可以在根据方法步骤b)或c)将所有层接合之后获得电极的足够的稳定性。
[0035] 由此在其他优点和特征方面明确地参照结合本发明电极以及图的阐述。根据本发 明的方法的本发明特征以及优点也应该可应用于根据本发明的电极并且被看作是公开的， 反之亦然。由至少两个在说明书、权利要求书和/或图中所公开的特征组成的所有组合也 落在本发明下。
[0036] 本发明的主题另外是如前述制造的电极。尤其是这种电极可以特别成本低地制 造，并且在此具有特别是定义的和稳定的结构。此外，这种电极可以特别简单地被修剪，使 得所述电极具有特别宽的应用领域。
[0037] 由此前述电极和从而还有装备有这种电极的储能器可以成本低地制造并且具有 特别宽的应用领域，并且在此尤其是对于移动应用是有利的。例如，可以制造薄膜状的、也 称为带的电极，例如尤其是阳极，其尤其是可以被应用于袋形电池单元中。
[0038] 由此在其他优点和特征方面明确地参照结合本发明方法以及图的阐述。根据本发 明的电极的本发明特征以及优点也应该可应用于根据本发明的方法并且被看作是公开的， 反之亦然。由至少两个在说明书、权利要求书和/或图中所公开的特征组成的所有组合也 落在本发明下。

【专利附图】

【附图说明】
[0039] 本发明主题的其他优点和有利构型通过附图来阐明并且在下面的描述中被阐述。 在此应该注意的是，附图仅具有所述的特性并且不应被认为以任何方式限制本发明。其 中： 图1示出本发明方法的方法步骤的示意图。

【具体实施方式】
[0040] 在图1中示出用于制造电极的方法步骤。可这样产生的电极例如可以是锂电池的 组成部分并且本身例如可以被应用在消费电子产品中以及在电驱动车辆的情况下。尤其是 在图1中示出了预成型的或完成剪裁的活性材料层10。活性材料层10包括表面12,电流 导电体14布置在所述表面12上。电流导电体14例如在接触区域16处可以被打孔，而该 电流导电体可以具有未打孔的区域18,该区域可以相对于活性材料层10暴露。打孔的接触 区域16例如可以用于改善所产生的层结构的稳定性，而未打孔的区域18可以用于更好的 电接触。总之，电流导电体14用于电流进入或从电极向外的电流流出。
[0041] 在图1中所示的构件现在可以被配备集流器层。为此，例如通过喷射、蒸镀、刮板 涂抹或例如借助于丝网印刷的印刷，导电材料可以被施加到表面12上和尤其是穿孔的接 触区域18上。
[0042] 纯粹示例性地，借助于喷射方法实现金属漆的施加。为此，可以非限制性地将在容 器中处于超压下的漆混合物通过喷嘴涂敷到表面上。可替换地，也可以通过缝隙喷嘴涂敷 漆，其中金属材料事先可以分散在溶剂或溶剂混合物中。作为例如用于喷射的燃气组分可 以米用丙烧和丁烧。
[0043] 就刮板涂抹方法而言,可以用分散体（Dispersion)填充刮板涂抹槽并且将刮板涂 抹槽在待涂层的表面12上拉延。
[0044] 对于制造具有铝导电体的阴极的根据图1的情况，所施加的漆或所施加的导电材 料可以具有例如尺寸小于5 μ m、纯度为99. 5%并且在所施加的混合物中的含量为大约20重 量百分比的最纯铝颗粒。电极的干燥可以在施加漆之后在室温下进行并且在20分钟之后 结束，此后进一步处理是可能的。
[0045] 对于制造阳极的情况，漆可以具有铜颗粒，尤其是在具有有机组分的混合物中，其 中铜颗粒的颗粒尺寸可以处于小于或等于5 μ m的范围中。
[0046] 待施加的漆的有机组分对于阳极以及对于阴极都尤其是包括溶剂和粘合剂，如尤 其是丙酮、二甲苯和/或乙酸乙酯，并且在此除了相应导电材料(如尤其是金属）的20重量 百分比之外所述有机组分还以在80重量百分比的范围中的数量存在。
【权利要求】
1. 用于制造电极的方法，该方法具有方法步骤： a) 提供预成型的活性材料层（10)，和 b) 在构造具有导电材料的集流器层的情况下将所述导电材料施加到活性材料层（10) 上。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中导电材料通过喷射、蒸镀、刮板涂抹或印刷而被施 加到活性材料层（10)上。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中在方法步骤b)中产生具有导电材料的集流器 层，所述集流器层具有处于小于8μπι的范围中的厚度。
4. 根据权利要求1至3之一所述的方法，其中在使用掩模的情况下执行方法步骤b)。
5. 根据权利要求1至4之一所述的方法，其中通过挤压方法来提供活性材料层（10)。
6. 根据权利要求1至5之一所述的方法，其中通过切割或冲压来预成型活性材料层 (10)。
7. 根据权利要求1至6之一所述的方法，其中该方法可以具有另外的方法步骤： c) 将在方法步骤b)中所获得的产品与具有活性材料的另外的层并且与接触元件接 合，使得具有所沉积的导电材料的集流器层布置在两个具有活性材料的层之间，并且接触 元件为了接触而至少部分暴露并且与具有所沉积的导电材料的集流器层接触，或者其中 该方法包括另外的方法步骤： d) 在方法步骤b)之前将接触元件布置在活性材料层的至少一部分上并且使按照方法 步骤b)所获得的产品的集流器层与另外的活性材料层接触。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中通过层压来执行方法步骤c)。
9. 根据权利要求1至8之一所述的方法，其中以可松开地施加到载体材料上的方式提 供活性材料层（10)。
10. 电极，所述电极按照根据权利要求1至9之一所述的方法来制造。
【文档编号】H01M4/70GK104064731SQ201410101582
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2013年3月20日
【发明者】S.希普申, A.内茨 申请人:罗伯特·博世有限公司