具有提高的活性材料份额的电极的制作方法

本发明涉及一种具有提高的活性材料份额的电极以及用于制造该电极的方法。

背景技术：

电化学能量存储器系统、如锂离子电池组（lib）的性能、尤其是能量密度基本上取决于电池中的电极的选择和设计。在现有技术中，描述了两种根本上不同的用于给集电器涂布活性材料（随后也称为活性材料）的方法、即通过施加活性材料浆料（所谓的浆料涂敷方法）并且通过施加独立的活性材料膜（例如参见ep1644136、us2015/0061176a1或us2015/0062779a1）。

de102013204875a1公开了一种方法，在该方法中在集电器上施加干燥的活性材料成分。在一种实施方式中使用掩模，所述掩模在涂布步骤之前被放在集电器上，以便这样有针对性地从具有活性材料的覆盖物中除去多个区域。

us2016/0043375a1公开了一种二次电池组，该二次电池组包括电极堆叠体，所述电极堆叠体通过堆叠平面电池组电池而得到，所述电池组电池包括电荷层和铅电极。在此，铅电极可以完全被电池组电池的电极包围。

由独立的活性材料膜制造电极从现有技术中已知，并且例如在ep1644136、us2015/0061176a1或us2015/0062779a1中被描述。在此，独立的活性材料膜以无溶剂方法通常以大约100-300μm的层厚来制造。独立的膜必要时被切割到所期望的大小，并且紧接着被施加在预成形的集电器上。电极的切割也可以在由集电器和活性材料膜构成的层压复合体中进行。为了制造电化学电池，于是各至少一个所切割的阳极、即负电极和阴极、即正电极以通过隔离件分开的方式被封装到壳体中（例如以袋（囊）或固体壳体（罐）形式）并且壳体被填充电解质。电解质有离子传导能力，并且围绕电极和隔离件或侵入到其孔隙中。

集电器由导电材料、尤其是由金属制成并且被设计为扁平的。根据现有技术，集电器和活性材料层的侧边是齐平的，或者集电器在至少一侧处伸出活性材料层的伸展以外。所切割的电极因此在侧面分别具有由未被涂布的集电器、尤其是金属构成的或多或少非常明显的区域。为了避免电池之内的电短路，突出的或未被活性材料覆盖的集电器根据现有技术例如通过有针对性的氧化方法被电绝缘。经常由铝制成的阴极集电器可以这样通过形成的氧化铝被绝缘。替代的方法使用不导电的塑料（例如橡胶）来密封。

替代地还存在如下可能性：通过合适地选择电极和不导电隔离件的几何尺寸来构建电池，使得有效地防止短路。在此，隔离件被设计，使得该隔离件伸出电极的边缘以外，使得电极不能彼此接触。该方法需要在堆叠期间各个部件的精确对准。

除了电极相互之间的接触之外，根据现有技术所制造的电化学电池还有如下风险：未被涂布的集电器在侧面接触电池的壳体并且在电池的寿命期间必要时甚至可能损坏电池的壳体。如果放弃金属边的绝缘，因此这里也存在电短路的风险。

通过所描述的用于防止电池之内的短路的措施，电池的未用活性材料填充并且因此无助于能量存储的体积份额被扩大。体积功率密度已经在电池水平上下降。

因此，本发明的任务是，提供一种被保护以免短路的电极，而不降低电池组电池的功率密度。除此之外，电极应在没有诸如氧化方法之类的附加方法步骤的情况下被制造。该任务通过随后所描述的本发明来解决。

技术实现要素：

本发明涉及一种电极，该电极包括：至少一个被设计为扁平的集电器，在所述集电器处安置有至少一个导流器（ableiter）；以及至少一个活性材料膜，其特征在于，活性材料膜被布置在集电器的第一表面上，并且在所有侧沿着集电器的边伸出所述边以外，以便这样在所有侧构造活性材料膜的超过集电器的外边界的突出部。

活性材料膜是独立的活性材料膜并且可以通过全部的为本领域技术人员所已知的方法来提供。为此，优选地使用干燥的活性材料成分。在此，活性材料成分可以具有用于相应能量存储器的为本领域技术人员本身所已知的组分。对于制造用于锂离子电池组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优选地浓度大于或等于94重量%的石墨，而用于阴极的活性材料例如可以包括优选地浓度大于或等于93重量%的氧化锂、比如锂镍钴锰氧化物（ncm）或锂锰氧化物（lmo）和/或磷酸锂、如磷酸锂铁lifepo4。活性材料因此尤其是一种材料或一种物质或一种物质混合物，其可以参与能量存储器的有效的充电过程或放电过程。在此，活性材料混合物此外可以具有优选地浓度小于或等于4重量%的粘结剂、诸如聚偏氟乙烯（pvdf），前述活性材料分布在所述粘结剂中。除此之外，可以添加优选地浓度小于或等于2重量%的导电添加物、诸如导电碳化合物、例如炭黑。

作为附加的组成部分，活性材料成分在一种实施方式中可以包括至少一种固体电解质、尤其是无机固体电解质，所述固体电解质能够传导阳离子、尤其是锂离子。根据本发明，这样的固体无机锂离子导体包括结晶、复合和非晶无机固体锂离子导体。结晶锂离子导体尤其是包括钙钛矿类型的锂离子导体、钛酸锂镧、nasicon类型的锂离子导体、lisicon类型和含硫lisicon类型的锂离子导体以及石榴石类型的传导锂离子的氧化物。复合锂离子导体尤其是包括包含氧化物和介孔氧化物的材料。这样的固体无机锂离子导体例如在philippeknauth的概述文章“inorganicsolidliionconductors:anoverview”（solidstateionics，第180册，第14-16期,2009年6月25日，第911-916页）中被描述。根据本发明也可以包括由c.cao等人在“recentadvancesininorganicsolidelectrolytesforlithiumbatteries”（front.energyres.,2014,2:25）中描述的所有固体锂离子导体。根据本发明，尤其是还包括在ep1723080b1中描述的石榴石。固体电解质尤其是可以以平均粒子直径为≥0.05μm至≤5μm、优选地≥0.1μm至≤2μm的颗粒的形式被使用。如果活性材料成分包括固体电解质，则该固体电解质例如可以总计为活性材料成分的0至50重量%、优选地10至40重量%。

通过原纤化过程，可以由该成分形成膏状可成形物料。这样的方法由现有技术已知并且例如在ep1644136、us2015/0061176a1或us2015/0062779a1中被描述。所得到的可成形物料紧接着可以被成形为独立的活性材料膜。这优选地可以通过使用压延机来进行。

在此，独立的活性材料膜具有允许无损操作的层厚。活性材料膜优选地具有至少50μm、例如100μm至500μm、尤其是150μm至300μm的层厚。这样，活性材料膜可以无损地被定位在被构造为扁平的被预成形的集电器上。

这样的集电器可以由本身已知的导电材料、尤其是金属来构造。例如，集电器可以针对制造正电极（阴极）的情况由铝来制造，而集电器可以针对制造负电极（阳极）的情况例如由铜来制造。

此外，集电器被预成形并且被设计为扁平的。预成形的集电器在本发明的意义上尤其可以意味着，集电器已经在该时刻、即基本上在施加独立的活性材料膜之前可以具有其所期望的、尤其是最终的形状。因此，随后的切除、冲裁等等可以取消。集电器尤其是以被设计为扁平的金属片或被设计为扁平的由导电材料、尤其是金属构成的膜的形式存在。包括铝、铜、镍或这些金属的合金的膜是优选的，所述膜具有优选地5μm至500μm、尤其是50μm至300μm的层厚。

集电器的边缘区域原则上可以任意地成形。然而已经显示出，这些边缘区域的形状或设计方案对电极的特性和稳定性有影响。在此，边缘区域尤其是可以被设计为直的、波浪形的或被打孔的。这些实施方式的组合是有利的，例如同时在边缘区域中具有打孔的波浪形设计方案。

在一种实施方式中，集电器具有直的侧边。这样设计的集电器尤其是可以利用简单的装置来制造并且可以容易地被堆叠。

在另一实施方式中，集电器的侧边中的至少一个侧边被设计为波浪形的。全部侧边优选地以这种方式来构成。在此，波浪形边缘设计的尺寸确定（幅度、波长）应根据电极的层厚以及集电器和活性材料膜的所选择的材料的特性来选择，使得在边缘区域中构造尽可能均匀的电场。在不限于此的情况下，尺寸确定例如在具有10至1000μm的波长和10至1000μm的幅度的范围内变动。

在一种特别优选的实施方式中，集电器的侧边中的至少一个侧边至少部分地配备有孔。已经显示出，集电器的这样的打孔可以降低该区域中的电场强度。为了不太过分地降低集电器尤其是在边缘区域中的稳定性，应当注意，打孔通过孔的合适大小和/或孔之间的合适间距继续保证足够的稳定性。打孔例如以1至10μm的孔直径以及相邻孔的中心之间的30至300μm的间距来进行。配备有这样的打孔的区域优选地限于集电器的伸展方向的≤20%、优选地≤10%的区域。

所述至少一个活性材料膜在形状和大小方面与集电器的形状和大小适配，使得活性材料膜在所有侧伸出集电器的侧边界以外，以便这样能够全面地构造活性材料膜的超过集电器的外边界的突出部。

至少一个活性材料膜被施加在集电器的至少一个表面上。在本发明的一种优选实施方式中，电极包括两个活性材料膜。这些活性材料膜优选地被布置在集电器的第一表面上和集电器的第二表面上，其中第二表面与第一表面相对。这意味着，集电器的第一表面和集电器的第二表面形成由集电器的正面和背面构成的对。这样，集电器完全被两个活性材料膜包围。两个活性材料膜形成围绕集电器的囊袋。这有效地防止集电器与其它导电对象、如另外的集电器或包括集电器的电化学电池的壳体的不期望的接触。

为了从电极分接电流，需要导电地安置在集电器处的导电导流器。该导流器例如可以以导流器金属片的形式被构造为集电器的一部分。导流器同样可以被涂布活性材料膜或者不导电材料。然而导流器在至少一个点处具有能自由到达的导电接触部位。这意味着，导流器在至少一个点处未被涂布。

电极的空间设计方案不受限制。该电极也可以以花丝设计（infiligranengestaltungen）与使用目的适配地来构造。这通过被构造为扁平的、预成形的集电器和预成形的、可以以原则上任意的形状来实施的活性材料膜来实现。

如已经解释的那样，第一活性材料膜被设计，使得该第一活性材料膜以突出部伸出集电器的边缘区域以外。在一种优选实施方式中，这也适用于所述至少两个活性材料膜。该实施方式尤其是优选的，因为因此集电器材料与活性材料的体积和重量比可以被改善，并且电极或包括电极的电化学电池的潜在能量密度可以被提高。活性材料膜的超过集电器的外边界的突出部优选地为活性材料膜的层厚的一至十倍。例如，突出部在具有100μm的层厚的活性材料膜的情况下处于100至1000μm的范围内。在过于非常明显的突出部的情况下，电流从活性材料膜到集电器的导出不再充分地被保证。最大突出部在任何情况下都优选地不大于5mm。

本发明的另一主题是一种用于制造这样的根据本发明的电极的方法。该方法包括下列方法步骤：

a）提供被构造为扁平的、预成形的集电器；

b）提供至少一个独立的活性材料膜；

c）在被构造为扁平的、预成形的集电器的第一表面上施加独立的活性材料膜；

其中活性材料膜在所有侧沿着集电器的边伸出所述边以外，以便这样在所有侧构造所述至少一个活性材料膜的超过集电器的外边界的突出部。

关于所述部件，之前所采取的实施方案适用。在此，活性材料膜可以与被构造为扁平的、预成形的集电器的形状适配，使得沿着集电器薄片的边产生不变的突出部。然而该突出部可以以合适的方式变化，例如当由此可以简化制造时。例如，可以如已经提到的那样将集电器设计为波浪形的。如果现在将独立的活性材料膜施加到集电器上，则该活性材料膜同样可以被设计为波浪形的，使得环绕地在活性材料膜处产生不变的突出部，所述突出部伸出被构造为扁平的、预成形的集电器薄片的边（外边界）以外。然而从制造技术角度来看有利的是，活性材料膜配备有直的切割边。在此，活性材料膜应被测定，使得该活性材料膜即使以其最小伸展也伸出集电器薄片以外。

在一种特别优选的实施方式中，使用至少两个独立的活性材料膜。根据本发明的方法于是包括下列步骤：

a）提供被构造为扁平的、预成形的集电器，所述集电器至少具有第一和第二表面；

b）提供独立的第一活性材料膜；

c）在被构造为扁平的、预成形的集电器的第一表面上施加独立的第一活性材料膜；

d）提供至少一个独立的第二活性材料膜；

e）在被构造为扁平的、预成形的集电器的第二表面上施加所述至少一个独立的第二活性材料膜；

其中至少所述第一和/或所述第二活性材料膜在所有侧沿着集电器的边伸出所述边以外，以便这样在所有侧构造所述至少一个活性材料膜的超过集电器的外边界的突出部。

在此，独立的第一活性材料膜和独立的第二活性材料膜可以具有相同的几何尺寸和伸展，然而也可以彼此不同。第一和第二活性材料膜的化学成分和结构设计方案（尤其是层厚和孔隙度）也可以彼此不同。然而在一种优选实施方式中，第一和第二活性材料膜是相同的。在这种情况下，该方法涉及两个独立的活性材料膜，其中不仅第一活性材料膜而且第二活性材料膜在所有侧沿着集电器的边伸出所述边以外并且在所有侧构造所述至少一个活性材料膜的超过集电器的外边界的突出部。

第一和/或第二活性材料膜的施加优选地通过以下方式来实现：该独立的活性材料膜或所述独立的活性材料膜被放到被设计为扁平的、预成形的集电器上并且紧接着借助于压力机、冲头或轧辊被压紧。这样，可以在活性材料膜与集电器之间实现粘附连接。连接的构造尤其是可以通过稍微加热集电器薄片和/或活性材料膜来支持。由此实现粘结剂的软化，该软化实现粘附连接的改善。在此，温度优选地被选择，使得该温度处于包含在活性材料膜中的粘结剂的玻璃转变温度tg之上。特别优选地，该温度处于玻璃转变温度tg之上10℃以上以及粘结剂的熔化温度tm之下20℃以上的范围内。

在一种优选实施方式中，第一和第二活性材料膜在所有侧在超过集电器的突出部的区域中通过挤压彼此连接。这实现活性材料膜彼此特别紧密的连接。除此之外，在该区域中可以进行更强的密封。该步骤也优选地在提高的温度下、尤其是在包含在活性材料膜中的粘结剂的玻璃转变温度tg之上的温度下进行。特别优选地，该温度处于玻璃转变温度tg之上10℃以上以及粘结剂的熔化温度tm之下20℃以上的范围内。替代地，增附剂、例如热塑性聚合物可以被施加在集电器的至少一个表面上，以便改善活性材料膜与集电器之间的粘附连接。

本发明的主题也是一种电极，所述电极按照根据本发明的方法来得到。这样的电极优选地可以被用作电化学能量存储器系统中的电极或者被用作燃料电池中的电极。在本发明意义上的电化学能量存储器系统尤其是包括锂离子电池组、超级电容器和混合超级电容器。因此，本发明的主题此外是：一种电化学能量存储器系统，其包括至少一个根据本发明的电极；以及一种燃料电池，其包括至少一个根据本发明的电极。

本发明的优点

本发明提供用于电化学能量存储器系统和燃料电池的电极，所述电极具有相对于电极的总重量而言活性材料的提高的份额。由此，在包括根据本发明的电极的电化学电池中可存储或可生成的能量被提高。除此之外，通过电极的特定的设计方案降低短路的风险，因为面区段（flächenabschnitte）被显著缩小，在所述面区段中导电的、通常金属的导体以未被涂布的形式存在。两个电极的集电器之间或集电器与能量存储器电池或燃料电池的壳体之间接触的风险因此同样被最小化。除此之外，根据本发明的电极可以以简单和低成本的方法来制造。

附图说明

根据附图和随后的描述进一步解释本发明的实施方式。

图1a示出常规电极的示意图，

图1b示出由两个电极和一个隔离件构成的常规电极堆叠体的示意图，

图1c示出电化学电池的示意图，该电化学电池包括根据图1b的布置在壳体中的电极堆叠体，

图2a示出根据本发明的电极的示意图，

图2b示出根据本发明的由两个电极和一个隔离件构成的电极堆叠体的示意图，

图2c示出电化学电池的示意图，该电化学电池包括根据图2b的布置在壳体中的电极堆叠体，

图3示出集电器的边缘区域的根据本发明的设计方案的示意图。

具体实施方式

在图1a中以侧视图示出了常规电极1，该常规电极包括集电器20，在该集电器的表面上分别布置有活性材料膜10。集电器20的未通过活性材料膜10被涂布的区域、尤其是被构造为扁平的集电器20的边缘22在附加的方法步骤中配备有不导电的例如由al2o3构成的涂层30。

在图1b中描绘了常规电极堆叠体2，该常规电极堆叠体包括两个电极1、1'以及处于电极1、1'之间的隔离件40。电极1、1'分别包括集电器20、21和至少一个、优选地至少两个活性材料膜10、11。尽管电极1、1'的该构造是相同的，但是所述电极彼此的区别优选地在于相应隔离件40的材料和活性材料膜10、11的材料的选择，以便这样构造正电极（阴极）和负电极（阳极）。集电器20的未被活性材料膜10、11占据的区域、尤其是被构造为扁平的集电器20、21的边缘22、23配备有涂层30。隔离件40被设计，使得该隔离件伸出电极1、1'的外边界以外。

图1c示出常规电化学电池3，该常规电化学电池包括至少一个根据图1b的电极堆叠体2，所述电极堆叠体被布置在壳体60中。该透视图以俯视图示出电化学电池3，该电化学电池在前景中具有第一电极1的活性材料膜10。导流器50被布置在该电极1的集电器20处。集电器20用活性材料膜10来占据（belegt）或环绕地被涂层30占据。从电极堆叠4体2的第二电极1'仅仅可见导流器51。

在图2a中以侧视图示意性地示出了根据本发明的电极4。该电极4包括集电器20，所述集电器由导电材料、例如铝或铜制成。集电器20被设计为扁平的。在集电器20的表面上分别布置有活性材料膜10。在此，该活性材料膜被设计，使得活性材料膜10伸出集电器20的外边界以外。因此产生活性材料膜10的超出集电器20、尤其是超出被构造为扁平的集电器20的边缘22的突出部70。该突出部70具有优选地不大于5mm的伸展。在突出部70的区域中，活性材料膜10优选地相互之间构造粘附连接71，所述粘附连接例如可以通过挤压来实现。

图2b示出根据本发明的电极堆叠体5，该电极堆叠体包括两个电极4、4'、以及布置在电极4、4'之间的隔离件40。电极4、4'分别包括集电器20、21和至少一个、优选地至少两个活性材料膜10、11。尽管电极4、4'的该构造是相同的，但是所述电极彼此的区别优选地在于相应隔离件40的材料和活性材料膜10、11的材料的选择，以便这样构造正电极（阴极）和负电极（阳极）。在此，隔离件40可以被设计，使得该隔离件具有与电极4、4’相同的大小。隔离件40的突出部70不是必需的。通过活性材料膜10、11的超出相应集电器20的面、尤其是超出被构造为扁平的集电器20或21的边缘22、23的根据本发明的突出部70，集电器20或21被保护，并且同时活性材料在电极堆叠体5中的体积份额被提高。

图2c示出根据本发明的电化学电池6，该电化学电池包括至少一个根据图2b的电极堆叠体5，所述电极堆叠体被布置在壳体60中。该透视图以俯视图示出电化学电池6，该电化学电池在前景中具有第一电极4的活性材料膜10。导流器50被布置在该电极4的集电器20处。集电器20完全被涂上活性材料膜10。另外的涂层不是必需的。从电极堆叠体5的第二电极4'仅仅可见导流器51。

图3a至3c示出集电器20、21的边缘区域的不同的优选的设计方案形式（ausgestaltungsformen）。在此，根据图3a的设计方案形式配备有集电器20或21的平滑边缘22、23。根据图3b的设计方案形式示出具有集电器20或21的波状边缘22、23的集电器20、21。最后，根据图3c的设计方案形式示出集电器20、21，该集电器在沿着集电器20或21的边缘22、23的边缘区域中配备有大量孔80。这些孔例如可以如当前所示出的那样相对于彼此偏移地以有规律的间距被布置为两排。

本发明不限于这里所描述的实施例和其中所强调的方面。更确切地说，在由权利要求书所说明的范围之内处于本领域技术人员的处理范围内的大量改变是可能的。