WO2013060422A1 - Electrode material for lithium ion batteries and method for the production thereof - Google Patents

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WO2013060422A1
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lithium
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Wilhelm Pfleging
Robert Kohler
Johannes PRÖLL
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Karlsruher Institut für Technologie
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Definitions

  • Electrode material for lithium-ion batteries and
  • the present invention relates to an electrode material for Lithi ⁇ to-ion batteries, and a method for its preparation.
  • electrodes of par ⁇ tikulcommun are produced materials.
  • the particles typically have particle sizes in the range of 0.5 ⁇ to 10 ⁇ .
  • the particles are mixed with a binder to form a viscous mass and applied to a preferably metallic substrate via a film casting process.
  • the layers thus produced are then pressed in a rolling calender, the porosity of the electrode material, ie the space which is later occupied by the electrolyte, being set at 30% to 50%.
  • the electrode material is subsequently connected to the counter electrode, a separator, the electrolyte and the cell casing to an electrochemical cell where it is provided with egg ⁇ nem electrolyte acts as a medium for the transfer of ions between the two electrodes.
  • Thin-film electrodes are used as model systems for this purpose. These electrode layers are applied to a carrier substrate and are in the form of a compact crystalline layer without the ⁇ to administration of binder, conductive carbon black or graphite before.
  • the production of such thin-film electrodes preferably takes place by means of high-frequency magnetron sputtering.
  • the layer thicknesses of the thin film used Layer electrodes are in the range of 100 nm to a maximum of 5 ⁇ , typically from 500 nm to 3 ⁇ ⁇ . This is necessary, in particular to avoid critical layer stresses and too long coating time.
  • US 2009/0202903 A1 discloses the production of surface structures in powdery materials with layer thicknesses of at least 200 ⁇ m by means of an ablative laser structuring method.
  • a laser beam with a Gaussian intensity profile carries off the material during a melting and / or evaporation process in the region of the laser beam focus (laser ablation), while in untreated areas not irradiated by the laser, the material is retained.
  • suitable Laserscannstrategien can be produced in this way structural geometries with dimensions of 50-500 ⁇ .
  • other methods such.
  • the desired structures are formed by the remaining, not eroded material.
  • US 2010/0035152 Al discloses an electrode material for lithium-ion batteries in the form of a layer having periodic structures, which were introduced by means of an Nd: YAG laser in such a way that material was thereby removed from the layer.
  • DE 699 01 178 T2 describes an electrode carrier which is produced from a metal sheet which has slight surface irregularities, which are produced in such a way by a mechanical method, in particular by means of a roller, that elevations and depressions are formed therein.
  • US 2009 / 0280407A1 discloses an electrode with a flat substrate, on which first protrusions are applied, on the flat surface of which there are respectively second protrusions. Both the first projections and the second projections were produced by electrolysis.
  • US 2011/0027650 A1 describes an anode in which columns of an electrode material for lithium-ion batteries, which are each provided with a layer of a polymer, are applied to a substrate.
  • the columns were produced by means of an electron beam evaporator; the application of the polymer layer by immersion in a corresponding solution.
  • the object of the invention is to propose an electrode material for lithium-ion batteries, which overcomes the disadvantages and limitations of the prior art.
  • This material should have improved electrochemical properties compared to the listed electrode materials and in particular allow improved charging and Entladezyklenstabiltician.
  • Another object of the invention is to provide a method for producing this electrode material.
  • the surface structure according to the invention forms a hierarchical structure, ie a conical structure superimposed on the grain structure, which on the one hand better compensates for the mechanical degradation of the battery due to lithium incorporation and removal and on the other hand increases the active surface in the near-surface region. This in turn causes an increased lithium exchange with the electrolyte locally, ie in the near-surface electrode layer region. Furthermore, all chemical reactions take place in the electrode material according to the invention at the interface active material / electrolyte, which is why here an enlarged surface plays a central role.
  • the surface is enlarged by the surface structure in the border area.
  • layer thicknesses are in the range of 10 ⁇ ⁇ to 1 mm, preferably in the range of 20 to 150 ⁇ .
  • the height of the conical elements has a value of 20 ⁇ to 50 ⁇ , but not more than the layer thickness.
  • the half-width of the conical elements moves in the range of 1 ⁇ to 20 ⁇ , while the distance between two peaks of the conical elements has a value of 1 ⁇ to 50 ⁇ .
  • Layer region is counteracted by a targeted structuring of porous electrode material.
  • Suitable for this purpose are cone-shaped structures which on the one hand are mechanically stable and on the other represent an increase in surface area, which in turn locally effects an improved lithium exchange with the electrolyte. In this way, the Zyklier , so the behavior of the capacity as a function of the number of charging and discharging operations, stabilized in operation especially at short-term high charging and discharging.
  • the active material has a particulate shape with an average particle diameter of 0.5 ⁇ to 10 m, which is not thicker than the layer of electrode material.
  • E N * ⁇ as a function of the emitted number of laser pulses N (number of pulses) calculated from the energy density ⁇ of the laser beam per laser pulse and therefore can be specified independently of the laser device used.
  • the value of the cumulative exposure dose E is crucial to induce egg ⁇ NEN local removal of material as well as a material rearrangement of the electrode material, wherein partial re-particles are deposited from the material vapor on the material surface without entering a structural damage to the material that is detrimental to the functionality as a cathode.
  • the re-deposits on the material surface are made such that the advantageous conical structures arise.
  • the production of the electrode material is carried out by applying one in the form of a pressed layer with a
  • Layer thickness of 10 ⁇ to 1 mm provided electrode material comprising at least 80% of an active material of a lithium-ion conductor, which is present as particulate material, and at most 20% of the binder and conductive additives, with 100 to 10,000 La ⁇ serpulsen that each have an energy density of 1.5 J / cm 2 to 3 J / cm 2 .
  • a structure is generated by material rearrangement which consists of conical (conical) elements which project at a height of from 20 ⁇ m to 50 ⁇ m, but at most the layer thickness, on a substrate form the particulate material and remain in addition to the active material, the binder and the conductivity additives.
  • the cumulative irradiation dose E is thus in a range of 0.4 to 25 kJ / cm 2 , preferably 1 to 10 kJ / cm 2 .
  • Preferred pulse numbers for carrying out the process are in the range of 500 to 5,000 and the preferred power density is in the range from Be ⁇ 0.8 J / cm 2 to 5 J / cm 2.
  • energy densities in the range of 1.5 J / cm 2 to 3.0 J / cm 2 can produce conical microstructures.
  • Suitable laser devices for carrying out the procedural ⁇ Rens invention are lasers which have a homogeneous beam profile, in particular excimer lasers, solid-state, fiber and diode laser with homogenized beam profile and wavelength ranging from 150 nm to
  • laser pulses with a pulse length in the range of 500 ps to 500 ns are used.
  • An essential advantage of the invention is the applicability of the laser structuring on conventionally cast, consisting of powdered electrode material electrodes, which are currently used in lithium-ion batteries.
  • the method can be scaled up to large FLAE ⁇ Chen and therefore also for industrial applicatio ⁇ gene, such as for lithium-ion batteries stability for the electric motors can be used advantageously.
  • a ⁇ ⁇ be in the form of a pressed thick film 1 having a thickness of 50 provided that at least 80% of an active material 3 made of a lithium-ion conductor, which as a particulate (granular) material is present, and at most 20% of conductivity additives 4, in particular Leitruß and graphite, as well as to binder 5 contains.
  • the active material 3 used here is powdered lithium cobalt oxide
  • the active material 3 is mixed with a binder 5, preferably PVDF, and a solvent, preferably N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), into a pourable viscous paste and preferably on a metallic substrate 2 serving as a current collector, preferably of aluminum or copper applied via a film casting process.
  • a binder 5 preferably PVDF
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • the porosity of the electrode material is adjusted by means of a rolling calender to 30% to 50%, wherein the particle size of the electrode material in the range of 500 nm to 10 ⁇ moves.
  • the thick film 1 is removed from the electrode material 1 by irradiation with a homogeneous flat-top laser beam profile 6 in part.
  • a large part of the removed active material deposits again in a process 7 on the surface which forms a base of the particulate material 1, thereby forming characteristic, conical (conical) structures 8 ', 8 ".
  • an excimer laser was preferably used.
  • the described electrodes ⁇ material in the imaging plane of the laser optics was positioned, what JE but not necessary in every case.
  • the invention Bear ⁇ processing of the material can be connected to ambient air and with process gases, preferably helium or argon, take place.
  • the excimer laser produces laser light with a wavelength of 248 nm for the production of the desired surface structures, the energy density was ⁇ represents, with an energy density of 1.5 to 3 J / cm 2 has been found to be particularly suitable.
  • ⁇ game set a pulse number of 1000 described here.
  • the electrode material was be ⁇ alsschlagt with the laser radiation, either in continuous (Scan mode) or step-wise ⁇ processing (step-and-repeat mode). While the sample is moved continuously under the laser beam in the scan mode, an incremental offset takes place in the step-and-repeat mode after delivery of all laser pulses in order to process the sample over a large area. In the scanning process, therefore, the speed must be adjusted so that the required number of laser pulses, which is necessary for the structure production, reaches the irradiated area.
  • suitable choice of the laser parameters can be size, lateral structure size and density (number of structures / cm 2 ) of the conical structures 8, 8 ', 8''set .... This effect is shown schematically in FIG. 1c), which differs from FIG. 1b) in that fewer, but wider and higher conical structures 8 are produced here.
  • FIG. 2 shows scanning electron micrographs (SEM images) of surface structures according to the invention in the electrode material LiCoO 2 , which are used in lithium-ion batteries.
  • SEM images scanning electron micrographs
  • the tip of which has a diameter of 0.5-3 ⁇ .
  • the height of the structures produced here was in the range of about 5-100 pm. Structures with heights of 20-50 ⁇ m prove to be particularly advantageous.
  • FIG. 3 shows an SEM (cross-sectional view) of conical surface structures in individual NMC agglomerates.
  • the conical structures 8, 8 ', 8 " were produced with homogeneous UV laser radiation from an excimer laser in the electrode material 1.
  • a structure 8, 8 ', 8 “... of conical elements is impressed on the existing granular structure of active material 3 in the electrode material 1 which significantly increases the active area in the near-surface layer area.
  • this conical element structure 8, 8 ', 8 "... is capable of processing high currents or stress peaks in lithium-ion cells.
  • Fig. 4a shows the structure of a thin-film electrode
  • Fig. 4b shows the structure of a laser-structured thin-film electrode
  • Fig. 4c shows the structure of a composite electrode. Shown are in each case the substrate 2, the active material 3, the electrolyte 9, conductivity additives 4 and binder 5.
  • the white arrows indicate typical diffusion paths of the lithium ions.
  • the conical structures 8 are formed from compact material (composite), which means that the additives 4, 5 present in addition to the active material 3 are retained in the conical structures 8. In this respect, therefore, surprisingly, no selective material removal takes place, as would be expected with composite materials.
  • the height of the structures produced can correspond to the layer thickness of the starting layer, and the rearrangement process even makes it possible to produce higher structures.
  • structures with heights of 20-50 ⁇ are particularly advantageous.
  • the distances between the structures are in the range of
  • half width i. the diameter of the structures at half structural height (FWHM) were values between 1 and 20 ⁇ m, preferably between 2 and 15 ⁇ m
  • FIG. 6 shows the specific discharge capacity of two LiCoC 2 -composite electrodes, of which one electrode (unfilled squares) consists of unstructured composite material, while the other electrode (filled squares) is an electrode material structured according to the invention. having .
  • the first 10 cycles / g performed with egg ⁇ nem charge / discharge current of 28 mA, followed by 100 cycles of 140 mA / g. Finally, 10 cycles of 28 mA / g were examined. It can be clearly seen that the cycle stability is significantly improved by the present invention.
  • Fig. 7a shows SEM images of unstructured electrode material (prior art) after 1000 electrochemical cycles, while shown in Fig. 7b) SEM images of the present invention structured electrode material after 2000 ⁇ electrochemical cycles. From this it can be seen that cracks form in the unstructured grain agglomerates after electrochemical cyclization, while no cracks were found in the layers structured according to the invention. Obviously, the present invention avoids mechanical degradation processes.

Abstract

The invention relates to an electrode material for lithium ion batteries in the form of a compressed layer (1) that has a layer thickness of between 10 μm and 1mm, said electrode material comprising at least 80% of an active material (3) that is made of a lithium ion conductor and is present as a particulate material, and a maximum of 20% of binding agent (5) and conductivity additives (4). At least one region that adjoins a surface of the layer (1) has a structure made of conical elements (8, 8', 8"...) that are located on a base made of the particulate material and are formed from locally removed material of the layer (1) via material transfer, the binding agent (5) and the conductivity additives (4) being retained along with the active material (3). The invention further relates to a method for producing the electrode material by irradiating such a compressed layer (1) with 100 to 10000 laser pulses (6) that each have an energy density of between 1.5 and 3 J/cm2, whereby in at least one region that adjoins the surface of the layer (1) a structure is formed consisting of conical elements (8, 8', 8"...) that form on a base made of a particulate material to a height of between 20 μιτι and 150 μm, however not higher than the layer thickness, the binding agent (5) and the conductivity additives (4) being retained along with the active material (3) in the structure formed via material rearrangement. The electrode material has improved electrochemical properties and allows for high charging and discharging cycle stability.

Description

Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien und Electrode material for lithium-ion batteries and
Verfahren zu seiner Herstellung Process for its preparation
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrodenmaterial für Lithi¬ um-Ionen-Batterien sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. The present invention relates to an electrode material for Lithi ¬ to-ion batteries, and a method for its preparation.
Neue Anwendungen in der Industrie, insbesondere für Elektro- und/oder Hybridfahrzeuge, erfordern leistungsfähige Energiespeicher. Zu diesen zählen insbesondere Lithium-Ionen-Batterien. New applications in the industry, especially for electric and / or hybrid vehicles, require powerful energy storage. These include in particular lithium-ion batteries.
Für konventionelle Lithium-Ionen-Batterien werden Elektroden aus par¬ tikulären ( kornförmigen) Materialien erzeugt. In A. Jossen und . eydanz, Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen , Inge Reichardt Ver¬ lag, Untermeitingen, ISBN 3-939359-11-4, ist der Aufbau derartiger Elektroden beschrieben, worin die Partikel typischerweise Partikelgrößen im Bereich von 0,5 μπι bis 10 μιη aufweisen. Die Partikel werden mit einem Bindemittel zu einer zähflüssigen Masse vermischt und über einen Foliengießprozess auf ein vorzugsweise metallisches Substrat aufgebracht. Die so erzeugten Schichten werden anschließend in einem Walzkalander gepresst, wobei die Porosität des Elektrodenmaterials, d.h. der Raum, der später vom Elektrolyten eingenommen wird, auf 30 % bis 50 % eingestellt wird. Das Elektrodenmaterial wird nachfolgend mit der Gegenelektrode, einem Separator, dem Elektrolyten und dem Zellgehäuse zu einer elektrochemischen Zelle verbunden, wo es mit ei¬ nem Elektrolyten versehen wird, der als Medium für den Ionentransfer zwischen den beiden Elektroden wirkt. For conventional lithium-ion batteries, electrodes of par ¬ tikulären (granular) are produced materials. In A. Jossen and. eydanz, modern accumulators use properly, Inge Reichardt Ver ¬ lag, Untermeitingen, ISBN 3-939359-11-4, the structure of such electrodes is described, wherein the particles typically have particle sizes in the range of 0.5 μπι to 10 μιη. The particles are mixed with a binder to form a viscous mass and applied to a preferably metallic substrate via a film casting process. The layers thus produced are then pressed in a rolling calender, the porosity of the electrode material, ie the space which is later occupied by the electrolyte, being set at 30% to 50%. The electrode material is subsequently connected to the counter electrode, a separator, the electrolyte and the cell casing to an electrochemical cell where it is provided with egg ¬ nem electrolyte acts as a medium for the transfer of ions between the two electrodes.
Es gibt vielfältige Bestrebungen, die elektrochemischen Eigenschaften der Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern. Als Modellsysteme werden hierzu Dünnschichtelektroden eingesetzt. Diese Elektrodenschichten sind auf einem Trägersubstrat aufgebracht und liegen in Form einer kompakten, kristallinen Schicht ohne die Zu¬ gabe von Binder, Leitruß oder Graphit vor. Die Herstellung derartiger Dünnschichtelektroden erfolgt bevorzugt über Hochfrequenz-Magnetron- Sputtern. Die hierbei eingesetzten Schichtdicken der Dünn- Schichtelektroden liegen im Bereich von 100 nm bis maximal 5 μκι, typischerweise von 500 nm bis 3 μπ\. Dies ist erforderlich, insbesondere um kritische Schichtspannungen und eine zu lange Beschichtungsdauer zu vermeiden. There are many efforts to improve the electrochemical properties of the electrode materials for lithium-ion batteries. Thin-film electrodes are used as model systems for this purpose. These electrode layers are applied to a carrier substrate and are in the form of a compact crystalline layer without the ¬ to administration of binder, conductive carbon black or graphite before. The production of such thin-film electrodes preferably takes place by means of high-frequency magnetron sputtering. The layer thicknesses of the thin film used Layer electrodes are in the range of 100 nm to a maximum of 5 μκι, typically from 500 nm to 3 μπ \. This is necessary, in particular to avoid critical layer stresses and too long coating time.
Es ist bekannt, dass durch die Reduzierung der Diffusionswege der Li- Ionen, die elektrochemischen Eigenschaften der Dünnschichtelektroden verbessert werden können. Eine bekannte Lösung dazu ist die Vergröße¬ rung der Oberfläche von Dünnschichtelektroden. In J.W. Long, B. Dunn, D.R. Rolison et.al., Three Dimensional Battery Architectures , Chem. Rev. 104 (2004), S. 4463 ff. wird eine Strukturierung von Dünnschichtelektroden zur Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaf¬ ten der Dünnschichtelektroden offenbart. Hierbei wird das Trägersub¬ strat der Dünnschicht strukturiert und die darauf erzeugte Dünnschichtelektrode erhält die vorgegebene Struktur. It is known that by reducing the diffusion paths of the Li ions, the electrochemical properties of the thin-film electrodes can be improved. A known solution to this is the magnification ¬ tion of the surface of thin-film electrodes. In JW Long, B. Dunn, DR Rolison, et.al. Three Dimensional Battery Architectures, Chem. Rev. 104 (2004), pp 4463 et seq., A structuring of thin film electrodes to improve the electrochemical own sheep ¬ th of the thin-film electrodes are disclosed. Here, the Trägersub ¬ strat of the thin film is patterned, and the thin-film electrode formed thereon receives the predetermined structure.
R. Kohler, P. Smyrek, S. Ulrich et. al. beschreiben in Patterning and Annealing of nanocrystalline LiCo02 thin films, J. Optoelectronics Adv. Mat. 12, 2010, S. 547 - 552, die laserbasierte Herstellung von stab- bzw. kegelförmigen Strukturen auf Dünnschichtelektroden mit Schichtdicken bis höchstens 3,5 μτ, die als Modellsysteme dienten. Für diese strukturierten Dünnschichtelektroden wurde eine Verbesse¬ rung der elektrochemischen Eigenschaften nachgewiesen. Kohler, P. Smyrek, S. Ulrich et. al. Describe in Patterning and Annealing of nanocrystalline LiCo 2 thin films, J. Optoelectronics Adv. Mat. 12, 2010, p 547-552, the laser-based production of rod or conical structures on thin-film electrodes with layer thicknesses of at most 3.5 μτ, which served as model systems. For these structured thin film electrodes had been an improvement ¬ tion of the electrochemical properties was demonstrated.
Die US 2009/0202903 AI offenbart die Herstellung von Oberflächenstrukturen in pulverförmigen Materialien mit Schichtdicken von mindestens 200 pm mittels eines abtragenden Laserstrukturierungsverfah- rens. Ein Laserstrahl mit einem gaußförmigen Intensitätsprofil trägt hierbei durch einen Aufschmelz- und/oder Verdampfungsprozess im Bereich des Laserstrahlfokus das Material ab (Laserablation) , während in unbehandelten, vom Laser nicht bestrahlten Bereichen das Material erhalten bleibt. Durch geeignete Laserscannstrategien lassen sich auf diese Weise Strukturgeometrien mit Dimensionen von 50-500 μιτι herstellen. Alternativ werden auch andere Verfahren, wie z. B. das Mikrofrä- sen, eingesetzt, die auf dem gleichen Funktionsprinzip beruhen, d.h. Material wird abgetragen, die gewünschten Strukturen werden durch das übrig gebliebene, nicht abgetragene Material gebildet. US 2009/0202903 A1 discloses the production of surface structures in powdery materials with layer thicknesses of at least 200 μm by means of an ablative laser structuring method. A laser beam with a Gaussian intensity profile carries off the material during a melting and / or evaporation process in the region of the laser beam focus (laser ablation), while in untreated areas not irradiated by the laser, the material is retained. By suitable Laserscannstrategien can be produced in this way structural geometries with dimensions of 50-500 μιτι. Alternatively, other methods, such. As the micro mills, used, which are based on the same principle of operation, ie Material is removed, the desired structures are formed by the remaining, not eroded material.
Die US 2010//0035152 AI offenbart ein Elektrodenmaterial für Lithium- Ionen-Batterien in Form einer Schicht, die periodische Strukturen aufweist, die mittels eines Nd: YAG-Lasers derart eingebracht wurden, dass hierdurch Material aus der Schicht entfernt wurde. US 2010/0035152 Al discloses an electrode material for lithium-ion batteries in the form of a layer having periodic structures, which were introduced by means of an Nd: YAG laser in such a way that material was thereby removed from the layer.
Die DE 699 01 178 T2 beschreibt einen Elektrodenträger, der aus einem Metallblech hergestellt ist, das geringfügige Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweist, die derart durch ein mechanisches Verfahren, insbesondere mittels einer Walze, erzeugt werden, dass darin Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet werden. DE 699 01 178 T2 describes an electrode carrier which is produced from a metal sheet which has slight surface irregularities, which are produced in such a way by a mechanical method, in particular by means of a roller, that elevations and depressions are formed therein.
Die US 2009/0280407A1 offenbart eine Elektrode mit einem flachen Substrat, auf dem erste Vorsprünge aufgebracht sind, auf deren flacher Oberfläche sich jeweils zweite Vorsprünge befinden. Sowohl die ersten Vorsprünge als auch die zweiten Vorsprünge wurden mittels Elektrolyse erzeugt . US 2009 / 0280407A1 discloses an electrode with a flat substrate, on which first protrusions are applied, on the flat surface of which there are respectively second protrusions. Both the first projections and the second projections were produced by electrolysis.
In der US 2011/0027650 AI wird eine Anode beschrieben, in der auf einem Substrat Säulen aus einem Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen- Batterien aufgebracht sind, die jeweils mit einer Schicht aus einem Polymer versehen sind. Die Herstellung der Säulen erfolgte mittels eines Elektronenstrahlverdampfers ; das Aufbringen Der Polymerschicht durch Eintauchen in eine entsprechende Lösung. US 2011/0027650 A1 describes an anode in which columns of an electrode material for lithium-ion batteries, which are each provided with a layer of a polymer, are applied to a substrate. The columns were produced by means of an electron beam evaporator; the application of the polymer layer by immersion in a corresponding solution.
Ausgehend davon liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien vorzuschlagen, das die Nachteile und Einschränkungen des Stands der Technik überwindet. Dieses Material soll gegenüber den aufgeführten Elektrodenmaterialien verbesserte elektrochemische Eigenschaften aufweisen und insbesondere eine verbesserte Lade- und Entladezyklenstabilität ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung dieses Elektrodenmaterials anzugeben. Based on this, the object of the invention is to propose an electrode material for lithium-ion batteries, which overcomes the disadvantages and limitations of the prior art. This material should have improved electrochemical properties compared to the listed electrode materials and in particular allow improved charging and Entladezyklenstabilität. Another object of the invention is to provide a method for producing this electrode material.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Elektrodenmaterial mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und dem Verfahren nach Anspruch 9. Die jeweiligen Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an. This object is achieved by an electrode material having the features of claim 1 and the method of claim 9. The respective subclaims indicate advantageous embodiments of the invention.
Zur Lösung der Aufgabe wird hinsichtlich des Elektrodenmaterials vor¬ geschlagen, in einen an eine Oberfläche einer Schicht aus dem des Elektrodenmaterial angrenzenden Bereich aus lokal abgetragenem Material der Schicht durch Materialumlegung eine kegelförmige Oberflächenstruktur einzubringen. Die Ausbildung konischer Strukturen in ein Elektrodenmaterial, das mindestens 80 % eines Aktivmaterials aus einem Lithium-Ionen-Leiter, das in Form eines partikulären Material vorliegt, und höchstens 20 % an Binder und an Leitfähigkeitsadditiven aufweist, die neben dem Aktivmaterial in den konischen Strukturen erhalten bleiben, hat zwar nicht mehr zwingend eine weitere Verringerung der mittleren Diffusionsweglänge der Lithium-Ionen zur Folge, da bereits eine großflächige Kornstrukur existiert, die feine Partikel und kleine Materialkörner umfasst, die auch als Agglomerate vorliegen können. Allerdings bildet sich durch die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur eine hierarchische Struktur aus, d.h. eine der Kornstruktur überlagerte konische Struktur, die zum einen die mechanische Degradation der Batterie infolge Lithium-Ein- und Auslagerung besser kompensiert und die zum anderen im oberflächennahen Bereich die Aktivoberfläche vergrößert. Dies wiederum bewirkt lokal, also im oberflächennahen Elektrodenschichtbereich, einen erhöhten Lithium- Austausch mit dem Elektrolyten. Weiterhin finden im erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial alle chemischen Reaktionen an der Grenzfläche Aktivmaterial/Elektrolyt statt, weshalb hier einer vergrößerten Oberfläche eine zentrale Bedeutung zukommt. Die Oberfläche wird durch die Oberflächenstruktur im Grenzbereich vergrößert. Hierzu eignen sich insbesondere Schichtdicken im Bereich von 10 μιη bis 1 mm, bevorzugt im Bereich von 20 bis 150 μπι. Die Höhe der kegelförmigen Elemente besitzt einen Wert von 20 μιη bis 50 μιη, nicht mehr jedoch als die Schichtdicke. Die Halbwertsbreite der kegelförmigen Elemente bewegt sich im Bereich von 1 μπι bis 20 μιη, während der Abstand zwischen zwei Spitzen der der kegelförmigen Elemente einen Wert von 1 μιη bis 50 μιη aufweist. To achieve the object is struck with respect to the electrode material before ¬ introduce a conical surface structure in an area adjacent to a surface of a layer of the electrode material region of locally removable material layer by the material assignment. The formation of conical structures in an electrode material comprising at least 80% of an active material of a lithium ion conductor, which is in the form of a particulate material, and at most 20% of binders and of conductivity additives, which are obtained in addition to the active material in the conical structures Although there is no longer any requirement for a further reduction in the mean diffusion path length of the lithium ions, since there already exists a large-scale grain structure comprising fine particles and small grains of material which may also be present as agglomerates. However, the surface structure according to the invention forms a hierarchical structure, ie a conical structure superimposed on the grain structure, which on the one hand better compensates for the mechanical degradation of the battery due to lithium incorporation and removal and on the other hand increases the active surface in the near-surface region. This in turn causes an increased lithium exchange with the electrolyte locally, ie in the near-surface electrode layer region. Furthermore, all chemical reactions take place in the electrode material according to the invention at the interface active material / electrolyte, which is why here an enlarged surface plays a central role. The surface is enlarged by the surface structure in the border area. For this purpose, in particular layer thicknesses are in the range of 10 μι η to 1 mm, preferably in the range of 20 to 150 μπι. The height of the conical elements has a value of 20 μιη to 50 μιη, but not more than the layer thickness. The half-width of the conical elements moves in the range of 1 μπι to 20 μιη, while the distance between two peaks of the conical elements has a value of 1 μιη to 50 μιη.
Beim Anlegen eines Stromes an eine Lithium-Ionen-Zelle finden elektrochemische Reaktionen an der Grenzfläche Elektrodenmaterial/Elektrolyt statt und Lithium-Ionen werden aus dem Elektrodenmate¬ rial in den Elektrolyten transportiert. Die geschieht solange, bis eine bestimmte Zellspannung erreicht ist. Bei der Wiedereinlagerung der Lithium-Ionen in die Wirtsstruktur des Elektrodenmaterials sinkt die Zellspannung unter Aufnahme von Elektronen ab. Infolge mehrmali¬ ger Auf- bzw. Entladung der Zelle, d.h. mehrmaliger Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen in das Wirtsgitter der Elektroden, werden Volumendehnungen der Elektrodenpartikel induziert. Dies führt zur Schädigung, (mechanische Degradation) des Elektrodenmaterials, was sich im Abfall der Kapazität der Zelle bemerkbar macht. Dabei ist die Zyklenbeständigkeit eines bestimmten Elektrodenmaterials umso besser, je feiner die Abstimmung zwischen Partikelgröße des Elektrodenmaterials, eingestellter Porosität und Benetzung der Partikel mit Elektrolyt ist. Der mechanischen Degradation sowie der suboptimalen Oberflächengröße und -struktur des Elektrodenmaterials im oberflächennahen When applying a current to a lithium-ion cell electrochemical reactions at the interface of electrode material / electrolyte take place, and lithium ions are transported out of the electrode materials ¬ rial into the electrolyte. This happens until a certain cell voltage is reached. When the lithium ions re-deposit into the host structure of the electrode material, the cell voltage decreases with the absorption of electrons. As a result more mali ¬ ger charging and discharging the cell, ie repeated entry and exit of lithium ions in the host lattice of the electrode, volume expansion of the electrode particles are induced. This leads to damage (mechanical degradation) of the electrode material, which is reflected in the decrease in the capacity of the cell. The finer the coordination between particle size of the electrode material, adjusted porosity and wetting of the particles with electrolyte, the better the cycle stability of a particular electrode material. The mechanical degradation as well as the sub-optimal surface size and structure of the electrode material in the near-surface
Schichtbereich wird durch eine gezielte Strukturierung porösen Elektrodenmaterials entgegengewirkt. Hierzu eignen sich konusförmige Strukturen, die zum einen mechanisch stabil sind und zum anderen eine Oberflächenvergrößerung darstellen, die wiederum lokal einen verbesserten Lithium-Austausch mit dem Elektrolyten bewirkt. Auf diese Weise wird das Zyklierverhalten, also das Verhalten der Kapazität in Abhängigkeit von der Anzahl der Lade- und Entladevorgänge, im Betrieb speziell bei kurzfristigen hohen Lade- und Entladeraten stabilisiert. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial Aktivmaterial auf, das Li (NixMnyCoz) 02-Verbindung mit 0 < x < 1, O ^ y ^ l, 0 < z < 1 und x + y + z = 1 enthält und das in einer besonderen Ausgestaltung mit Dotierungen (Zugaben) von AI, Mg, Fe, i, Zn, Ga, Nb, F, B, Cr, und/oder Y versehen ist. Insbesondere besitzt das Aktivmaterial eine partikuläre Form mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,5 μπι bis 10 m, der jedoch nicht dicker ist als die Schicht aus Elektrodenmaterial. Layer region is counteracted by a targeted structuring of porous electrode material. Suitable for this purpose are cone-shaped structures which on the one hand are mechanically stable and on the other represent an increase in surface area, which in turn locally effects an improved lithium exchange with the electrolyte. In this way, the Zyklierverhalten, so the behavior of the capacity as a function of the number of charging and discharging operations, stabilized in operation especially at short-term high charging and discharging. In a preferred embodiment, the electrode material according to the invention comprises active material, the Li (Ni x Mn y Co z ) 0 2 compound with 0 <x <1, O ^ y ^ l, 0 <z <1 and x + y + z = 1 and which is provided in a particular embodiment with dopants (additions) of Al, Mg, Fe, i, Zn, Ga, Nb, F, B, Cr, and / or Y. In particular, the active material has a particulate shape with an average particle diameter of 0.5 μπι to 10 m, which is not thicker than the layer of electrode material.
In einer besonderen Ausgestaltung ist die Schicht aus dem Elektrodenmaterial auf einem Substrat (Träger) aus einem Metall, insbesondere Aluminium oder Kupfer, oder aus einer Legierung aufgebracht, das eine Dicke von 5 μπι bis 50 μιη, höchstens jedoch die Dicke des Elektroden¬ materials, aufweist und das vorzugsweise als Abieiter in einer elek¬ trochemischen Zelle dient. In a particular embodiment, the layer of the electrode material on a substrate (carrier) made of a metal, in particular aluminum or copper, or applied from an alloy having a thickness of 5 μπι to 50 μιη, but at most the thickness of the electrode ¬ material, and which preferably serves as Abieiter in an elec ¬ trochemischen cell.
Hinsichtlich des Verfahrens wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, die Oberflächenstruktur durch Laserbestrahlung des Elektrodenmaterials zu erzeugen. Um die vorteilhaften kegelförmigen Strukturen zu erzeugen, müssen geeignete Laserparameter eingestellt werden, da diese die kumulative Bestrahlungsdosis E bestimmen, die sich gemäß With regard to the method is proposed to solve the problem to produce the surface structure by laser irradiation of the electrode material. In order to produce the advantageous conical structures, suitable laser parameters must be set, since these determine the cumulative irradiation dose E, which is determined according to FIG
E = N * ε in Abhängigkeit von der abgegebenen Anzahl an Laserpulsen N (Pulsanzahl) von der Energiedichte ε des Laserstrahls pro Laserpuls berechnet und daher unabhängig vom verwendeten Lasergerät angegeben werden kann. E = N * ε as a function of the emitted number of laser pulses N (number of pulses) calculated from the energy density ε of the laser beam per laser pulse and therefore can be specified independently of the laser device used.
Der Wert der kumulativen Bestrahlungsdosis E ist entscheidend um ei¬ nen lokalen Materialabtrag sowie eine Materialumlagerung des Elektrodenmaterials zu induzieren, wobei sich aus dem Materialdampf teilweise wieder Partikel auf der Materialoberfläche ablagern, ohne das eine strukturelle Schädigung des Materials eintritt, die sich nachteilig auf die Funktionalität als Kathode auswirkt. Die Wiederablagerungen auf der Materialoberfläche erfolgen derart, dass die vorteilhaften kegelförmigen Strukturen entstehen. Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung des Elektrodenmaterials durch Beaufschlagen eines in Form einer gepressten Schicht mit einer The value of the cumulative exposure dose E is crucial to induce egg ¬ NEN local removal of material as well as a material rearrangement of the electrode material, wherein partial re-particles are deposited from the material vapor on the material surface without entering a structural damage to the material that is detrimental to the functionality as a cathode. The re-deposits on the material surface are made such that the advantageous conical structures arise. According to the invention, the production of the electrode material is carried out by applying one in the form of a pressed layer with a
Schichtdicke von 10 μιη bis 1 mm bereitgestellten Elektrodenmaterials, das mindestens 80 % eines Aktivmaterials aus einem Lithium-Ionen- Leiter, das als partikuläres Material vorliegt, und höchstens 20 % an Binder und an Leitfähigkeitsadditiven umfasst, mit 100 bis 10000 La¬ serpulsen, die jeweils eine Energiedichte von 1,5 J/cm2 bis 3 J/cm2 aufweisen. Durch diese Behandlung wird in mindestens einem an die Oberfläche der Schicht angrenzenden Bereich durch Materialumlagerung eine Struktur erzeugt, die aus kegelförmigen (konischen) Elementen besteht, die sich mit einer Höhe von 20 μπι bis 50 μπι, höchstens jedoch der Schichtdicke, auf einem Untergrund aus dem partikulären Material ausbilden und in der neben dem Aktivmaterial auch der Binder und die Leitfähigkeitsadditive erhalten bleiben. Die kumulative Bestrahlungsdosis E liegt somit in einem Bereich von 0,4 bis 25 kJ/cm2, bevorzugt von 1 bis 10 kJ/cm2. Layer thickness of 10 μιη to 1 mm provided electrode material comprising at least 80% of an active material of a lithium-ion conductor, which is present as particulate material, and at most 20% of the binder and conductive additives, with 100 to 10,000 La ¬ serpulsen that each have an energy density of 1.5 J / cm 2 to 3 J / cm 2 . As a result of this treatment, in at least one region adjoining the surface of the layer, a structure is generated by material rearrangement which consists of conical (conical) elements which project at a height of from 20 μm to 50 μm, but at most the layer thickness, on a substrate form the particulate material and remain in addition to the active material, the binder and the conductivity additives. The cumulative irradiation dose E is thus in a range of 0.4 to 25 kJ / cm 2 , preferably 1 to 10 kJ / cm 2 .
Bevorzugte Pulszahlen zur Durchführung des Verfahrens liegen im Bereich von 500 bis 5000 und die bevorzugte Energiedichte liegt im Be¬ reich von 0,8 J/cm2 bis 5 J/cm2. Insbesondere mit Energiedichten im Bereich von 1,5 J/cm2 bis 3,0 J/cm2 lassen sich konische Mikrostrukturen erzeugen. Preferred pulse numbers for carrying out the process are in the range of 500 to 5,000 and the preferred power density is in the range from Be ¬ 0.8 J / cm 2 to 5 J / cm 2. In particular, with energy densities in the range of 1.5 J / cm 2 to 3.0 J / cm 2 can produce conical microstructures.
Geeignete Lasergeräte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens sind Laser, die ein homogenes Strahlprofil besitzen, insbesondere Excimer-Laser , Festkörper-, Faser- und Dioden-Laser mit homogenisiertem Strahlprofil und Wellenlängen im Bereich von 150 nm bis Suitable laser devices for carrying out the procedural ¬ Rens invention are lasers which have a homogeneous beam profile, in particular excimer lasers, solid-state, fiber and diode laser with homogenized beam profile and wavelength ranging from 150 nm to
400 nm, insbesondere jedoch solche Laser, mit einer Wellenlänge von 193 nm, 248 nm, 266 nm, 308 nm und 355 nm. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden Laserpulse mit einer Pulslänge im Bereich von 500 ps bis 500 ns eingesetzt. 400 nm, but especially such laser, with a Wavelength of 193 nm, 248 nm, 266 nm, 308 nm and 355 nm. In a preferred embodiment, laser pulses with a pulse length in the range of 500 ps to 500 ns are used.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist die Anwendbarkeit der La- serstrukturierung auf konventionell gegossene, aus pulverförmigen Elektrodenmaterial bestehende Elektroden, die derzeit in Lithium- Ionen-Batterien eingesetzt werden. Das Verfahren kann auf große Flä¬ chen aufskaliert werden und ist daher auch für industrielle Anwendun¬ gen, wie zum Beispiel für Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromo- bilität vorteilhaft einsetzbar. An essential advantage of the invention is the applicability of the laser structuring on conventionally cast, consisting of powdered electrode material electrodes, which are currently used in lithium-ion batteries. The method can be scaled up to large FLAE ¬ Chen and therefore also for industrial applicatio ¬ gene, such as for lithium-ion batteries stability for the electric motors can be used advantageously.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen im Einzelnen: The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and the figures. Here are shown in detail:
Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Schematic representation of the invention
Herstellungsverfahrens durch Strukturierung einer Schicht aus einem unstrukturierten Komposit-Elektroden- Material durch Bestrahlung mit Laserpulsen (unter schiedliche Laserparameter) ;  Manufacturing process by structuring a layer of unstructured composite electrode material by irradiation with laser pulses (under different laser parameters);
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von konischen Oberflächenstrukturen in Lithiumkobaltoxid (LiCoC>2) ; Scanning electron micrographs of conical surface structures in lithium cobalt oxide (LiCoC> 2 );
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (REM-Aufnähme ) des erfindungsgemäßen Elektrodenmaterials mit konischen Oberflächenstrukturen (Querschnittsansicht) ;  Scanning electron micrograph (SEM image) of the electrode material according to the invention with conical surface structures (cross-sectional view);
Schematische Darstellung des Aufbaus a) einer Dünnschichtelektrode, b) einer laserstrukturierten Dünnschichtelektrode und c) einer unstrukturierten Komposit- Elektrode (Stand der Technik) /  Schematic representation of the structure a) of a thin-film electrode, b) of a laser-structured thin-film electrode and c) of an unstructured composite electrode (prior art) /
REM-Aufnahme des Querschnitts eines kegelförmigen Elements aus dem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial;  SEM image of the cross section of a conical element made of the electrode material according to the invention;
Spezifische Entladekapazität von Elektroden: unstrukturiert (Stand der Technik) bzw. erfindungsgemäß strukturiert;  Specific discharge capacity of electrodes: unstructured (prior art) or structured according to the invention;
REM-Aufnahmen von a) unstrukturiertem Elektrodenmaterial (Stand der Technik) nach 1000 elektrochemischen Zyklen und b) erfindungsgemäß strukturiertem Elektrodenmaterial nach 2000 elektrochemischen Zyklen. SEM images of a) unstructured electrode material (prior art) after 1000 electrochemical Cycles and b) according to the invention structured electrode material after 2000 electrochemical cycles.
In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren schematisch dargestellt. Gemäß Fig. la) wird hierzu zunächst ein in Form einer gepressten Dickschicht 1 mit einer Schichtdicke von 50 μπι vorliegen¬ des Elektrodenmaterial bereit gestellt, das mindestens 80 % eines Aktivmaterials 3 aus einem Lithium-Ionen-Leiter, das als partikuläres ( kornförmiges) Material vorliegt, und höchstens 20 % an Leitfähigkeitsadditiven 4, insbesondere Leitruß und Graphit, sowie an Binder 5 enthält . In Fig. 1, the manufacturing method according to the invention is shown schematically. Referring to FIG. La) of the electrode material is for this purpose first a ¬ μπι be in the form of a pressed thick film 1 having a thickness of 50 provided that at least 80% of an active material 3 made of a lithium-ion conductor, which as a particulate (granular) material is present, and at most 20% of conductivity additives 4, in particular Leitruß and graphite, as well as to binder 5 contains.
Als Aktivmaterial 3 dient hier pulverförmiges Lithiumkobaltoxid The active material 3 used here is powdered lithium cobalt oxide
(LiCo02) , d.h. x = y = 0 und z = 1, oder LiNii/3Mni/3Coi/302 (NMC) , d.h. x = y = z = 1/3. Das Aktivmaterial 3 ist mit einem Binder 5, bevorzugt PVDF, und einem Lösungsmittel, vorzugsweise N-Methyl-2- Pyrrolidon (NMP) , zu einer gießbaren zähflüssigen Paste vermischt und auf einem als Stromableiter dienenden metallischen Substrat 2, bevorzugt aus Aluminium oder Kupfer vorzugsweise über einen Foliengießpro- zess aufgebracht. Die Porosität des Elektrodenmaterials ist mittels eines Walzkalanders auf 30 % bis 50 % eingestellt, wobei sich die Partikelgröße des Elektrodenmaterials im Bereich von 500 nm bis 10 μπι bewegt . (LiCo0 2 ), ie x = y = 0 and z = 1, or LiNii / 3 Mni / 3Coi / 302 (NMC), ie x = y = z = 1/3. The active material 3 is mixed with a binder 5, preferably PVDF, and a solvent, preferably N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), into a pourable viscous paste and preferably on a metallic substrate 2 serving as a current collector, preferably of aluminum or copper applied via a film casting process. The porosity of the electrode material is adjusted by means of a rolling calender to 30% to 50%, wherein the particle size of the electrode material in the range of 500 nm to 10 μπι moves.
Gemäß Fig. lb) wird die Dickschicht 1 aus dem Elektrodenmaterial 1 durch Bestrahlung mit einem homogenen flat-top Laserstrahlprofil 6 zum Teil abgetragen. Ein Großteil des abgetragenen Aktivmaterials lagert sich in einem Prozess 7 wieder auf der Oberfläche, die einen Untergrund aus dem partikulären Material 1 ausbildet, ab und bildet hierbei charakteristische, kegelförmige (konische) Strukturen 8' , 8"... According to Fig. Lb), the thick film 1 is removed from the electrode material 1 by irradiation with a homogeneous flat-top laser beam profile 6 in part. A large part of the removed active material deposits again in a process 7 on the surface which forms a base of the particulate material 1, thereby forming characteristic, conical (conical) structures 8 ', 8 ".
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde bevorzugt ein Excimer-Laser eingesetzt. Zunächst wurde das beschriebene Elektroden¬ material in der Abbildungsebene der Laseroptik positioniert, was je- doch nicht in jedem Fall erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Bear¬ beitung des Materials kann an Umgebungsluft sowie mit Prozessgasen, vorzugsweise Helium oder Argon, erfolgen. Der Excimer-Laser erzeugt Laserlicht mit einer Wellenlänge von 248 nm. Für die Erzeugung der gewünschten Oberflächenstrukturen wurde die Energiedichte einge¬ stellt, wobei sich eine Energiedichte von 1,5 - 3 J/cm2 als besonders geeignet erwiesen hat. Nachfolgend wurde im hier beschriebenen Bei¬ spiel eine Pulsanzahl von 1000 eingestellt. To carry out the process according to the invention, an excimer laser was preferably used. First, the described electrodes ¬ material in the imaging plane of the laser optics was positioned, what JE but not necessary in every case. The invention Bear ¬ processing of the material can be connected to ambient air and with process gases, preferably helium or argon, take place. . The excimer laser produces laser light with a wavelength of 248 nm for the production of the desired surface structures, the energy density was ¬ represents, with an energy density of 1.5 to 3 J / cm 2 has been found to be particularly suitable. Subsequently At ¬ game set a pulse number of 1000 described here.
Anschließend wurde das Elektrodenmaterial mit der Laserstrahlung be¬ aufschlagt, entweder in kontinuierlicher (Scan-Modus) oder schritt¬ weiser Bearbeitung ( Step-and-Repeat-Modus ) . Während die Probe im Scan-Modus kontinuierlich unter dem Laserstrahl verfahren wird, erfolgt im Step-and-Repeat-Modus nach Abgabe aller Laserpulse ein in- krementaler Versatz, um die Probe großflächig zu bearbeiten. Im Scan- Verfahren muss demnach die Geschwindigkeit so angepasst werden, dass die erforderliche Anzahl an Laserpulsen, die zur Strukturerzeugung notwendig ist, auf die bestrahlte Fläche gelangt. Then, the electrode material was be ¬ aufschlagt with the laser radiation, either in continuous (Scan mode) or step-wise ¬ processing (step-and-repeat mode). While the sample is moved continuously under the laser beam in the scan mode, an incremental offset takes place in the step-and-repeat mode after delivery of all laser pulses in order to process the sample over a large area. In the scanning process, therefore, the speed must be adjusted so that the required number of laser pulses, which is necessary for the structure production, reaches the irradiated area.
Durch geeignete Wahl der Laserparameter lassen sich Größe, laterale Strukturabmessung und Dichte (Anzahl Strukturen/cm2) der kegelförmige Strukturen 8, 8', 8''... einstellen. Dieser Effekt ist schematisch in Fig. lc) dargestellt, die sich von Fig. lb) dadurch unterscheidet, dass hier weniger, aber breitere und höhere kegelförmige Strukturen 8 erzeugt werden. By suitable choice of the laser parameters can be size, lateral structure size and density (number of structures / cm 2 ) of the conical structures 8, 8 ', 8''set .... This effect is shown schematically in FIG. 1c), which differs from FIG. 1b) in that fewer, but wider and higher conical structures 8 are produced here.
Der Einfluss unterschiedlicher Laserparameter ist beispielhaft aus Fig. 2 ersichtlich, die rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM-Aufnahmen) von erfindungsgemäßen Oberflächenstrukturen im Elektrodenmaterial LiCo02 zeigt, die in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden. Mit den erfindungsgemäßen Verfahren ließen sich kegelförmige (konische) Strukturen herstellen, deren Spitze einen Durchmesser von 0,5 - 3 μπι besitzt. Die Höhe der hergestellten Strukturen lag hierbei im Bereich von ca. 5 - 100 pm. Als besonders vorteilhaft erweisen sich Strukturen mit Höhen von 20 - 50 μιη. Der physikalische Effekt des Prozesses 7 der Umlagerung und Wiederablagerung von abgetragenem Material lässt sich in Fig. 3 erkennen, die eine REM-Aufnahme (Querschnittsansicht) von konischen Oberflächenstrukturen in einzelnen NMC Agglomeraten zeigt. Die konischen Strukturen 8, 8', 8'' ... wurden mit homogener UV-Laserstrahlung aus einem Excimer-Laser im Elektrodenmaterial 1 erzeugt. Hierbei ist ersichtlich, dass in Folge der Laserbestrahlung 6 in einem an eine Oberfläche des Elektrodenmaterials 1 angrenzenden Bereich eine Struktur 8, 8' , 8' ' ... aus konischen Elementen auf die bestehende kornför- mige Struktur aus Aktivmaterial 3 im Elektrodenmaterial 1 aufgeprägt wird, die die aktive Fläche im oberflächennahen Schichtbereich deutlich vergrößert. Es ist ersichtlich, dass diese Struktur 8, 8', 8'' ... aus konischen Elementen dazu in der Lage ist, hohe Ströme bzw. Belastungsspitzen in Lithium-Ionen-Zellen zu verarbeiten. The influence of different laser parameters can be seen, for example, from FIG. 2, which shows scanning electron micrographs (SEM images) of surface structures according to the invention in the electrode material LiCoO 2 , which are used in lithium-ion batteries. With the method according to the invention conical (conical) structures could be produced, the tip of which has a diameter of 0.5-3 μπι. The height of the structures produced here was in the range of about 5-100 pm. Structures with heights of 20-50 μm prove to be particularly advantageous. The physical effect of the process 7 of rearrangement and redeposition of ablated material can be seen in FIG. 3, which shows an SEM (cross-sectional view) of conical surface structures in individual NMC agglomerates. The conical structures 8, 8 ', 8 "were produced with homogeneous UV laser radiation from an excimer laser in the electrode material 1. In this case, it can be seen that as a result of the laser irradiation 6 in a region adjacent to a surface of the electrode material 1, a structure 8, 8 ', 8 "... of conical elements is impressed on the existing granular structure of active material 3 in the electrode material 1 which significantly increases the active area in the near-surface layer area. It can be seen that this conical element structure 8, 8 ', 8 "... is capable of processing high currents or stress peaks in lithium-ion cells.
Von großer Bedeutung für ein schnelles Laden bzw. Entladen einer Li- thium-Ionen-Zelle ist die schnelle Lithium-Diffusion. Da diese im Elektrolyt aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit sehr schnell erfolgen kann, ist die Art der Lithium-Diffusion im Festkörper entscheidend. Für eine hohe Leistungsfähigkeit der Zelle sind kurze Diffusionswege bestimmend . Of great importance for fast charging or discharging of a lithium-ion cell is the fast lithium diffusion. Since this can be done very quickly in the electrolyte due to its high conductivity, the type of lithium diffusion in the solid state is crucial. For a high efficiency of the cell short diffusion paths are determining.
In Fig. 4 ist schematisch der Stand der Technik dargestellt. Fig. 4a) zeigt den Aufbau einer Dünnschichtelektrode, Fig. 4b) den Aufbau einer laserstrukturierten Dünnschichtelektrode und Fig. 4c) den Aufbau einer Komposit-Elektrode . Dargestellt sind jeweils das Substrat 2, das Aktivmaterial 3, der Elektrolyt 9, Leitfähigkeitsadditive 4 sowie Binder 5. Die weißen Pfeile kennzeichnen typische Diffusionswege der Lithium-Ionen . In Fig. 4, the prior art is shown schematically. Fig. 4a) shows the structure of a thin-film electrode, Fig. 4b) shows the structure of a laser-structured thin-film electrode and Fig. 4c) shows the structure of a composite electrode. Shown are in each case the substrate 2, the active material 3, the electrolyte 9, conductivity additives 4 and binder 5. The white arrows indicate typical diffusion paths of the lithium ions.
Aus einem Vergleich zwischen Fig. 4a) und Fig. 4b) ist erkennbar, dass sich die Längen der Diffusionswege der Lithium-Ionen in einer Dünnschicht durch Abtragen eines Teils des Aktivmaterials an der Oberfläche der Dünnschicht signifikant verringern lassen. Demgegenüber sind in einem Komposit-Elektrodenmaterial 1 aufgrund der porösen mit Elektrolyt gefüllten Struktur bereits inhärent sehr kurze Diffusionswege der Lithium-Ionen vorhanden. Aus diesem Befund aus dem bekannten Stand der Technik ist daher nicht ersichtlich, wie eine Strukturierung des Elektrodenmaterials 1 erfolgen kann und ob und ggf. welche Vorteile ein derartiges Verfahren mit sich bringt. From a comparison between Fig. 4a) and Fig. 4b), it can be seen that the lengths of the diffusion paths of the lithium ions in a thin film can be significantly reduced by removing a portion of the active material at the surface of the thin film. On the other hand, in a composite electrode material 1, due to the porous structure filled with electrolyte, there are already inherently very short diffusion paths of the lithium ions. It is therefore not apparent from this finding from the known prior art how structuring of the electrode material 1 can take place and whether and, if so, what advantages such a method entails.
Fig. 5 zeigt eine REM-Aufnahme am Querschnitt (Querschliff) 5 shows a SEM image at the cross section (transverse section)
einer laserstrukturierten Elektrode. Erkennbar sind die hellen Körner aus Aktivmaterial 3. Die dunkleren Bereiche werden durch Leitfähig¬ keitsadditive 4, Binder 5 sowie ein Einbettmittel 10 gebildet. Wie aus Fig. 3 erkennbar, werden die kegelförmigen Strukturen 8 aus kompakten Material (Komposit) gebildet, was bedeutet, dass die neben dem Aktivmaterial 3 vorhandenen Zusätze 4, 5 in den kegelförmigen Strukturen 8 erhalten bleiben. Insofern findet daher überraschenderweise kein selektiver Materialabtrag statt, wie dies bei Kompositmaterialien zu erwarten wäre. a laser-structured electrode. Recognizable are the bright grains of active material 3. The darker regions are Conductive ¬ keitsadditive 4, 5 and a binder encapsulant 10 is formed. As can be seen from FIG. 3, the conical structures 8 are formed from compact material (composite), which means that the additives 4, 5 present in addition to the active material 3 are retained in the conical structures 8. In this respect, therefore, surprisingly, no selective material removal takes place, as would be expected with composite materials.
Die Höhe der erzeugten Strukturen kann der Schichtdicke der Ausgangsschicht entsprechen, durch den Umlagerungsprozess ist sogar die Erzeugung höherer Strukturen möglich. Als besonders vorteilhaft zeigen sich jedoch Strukturen mit Höhen von 20 - 50 μτα . The height of the structures produced can correspond to the layer thickness of the starting layer, and the rearrangement process even makes it possible to produce higher structures. However, structures with heights of 20-50 μτα are particularly advantageous.
Die Abstände zwischen den Strukturen liegen im Bereich von The distances between the structures are in the range of
1 - 50 μιχι, bevorzugt von 3 - 30 μπι. Als Halbwertsbreite, d.h. der Durchmesser der Strukturen auf halber Strukturhöhe (FWHM), wurden Werte zwischen von 1 - 20 μπι, bevorzugt von 2 - 15 pm 1-50 μιχι, preferably from 3 to 30 μπι. As the half width, i. the diameter of the structures at half structural height (FWHM) were values between 1 and 20 μm, preferably between 2 and 15 μm
erreicht . reached .
In Fig. 6 ist die spezifische Entladekapazität von zwei LiCoC>2- Kompositelektroden dargestellt, von denen eine Elektrode (ungefüllte Quadrate) aus unstrukturiertem Kompositmaterial besteht, während die andere Elektrode (gefüllte Quadrate) ein erfindungsgemäß strukturier¬ tes Elektrodenmaterial . aufweist . Die ersten 10 Zyklen wurden mit ei¬ nem Lade-/Entladestrom von 28 mA/g durchgeführt, danach folgten 100 Zyklen mit 140 mA/g. Schließlich wurden 10 Zyklen mit 28 mA/g unter- sucht. Es zeigt sich deutlich, dass sich die Zyklenstabilität durch die vorliegende Erfindung signifikant verbessert. FIG. 6 shows the specific discharge capacity of two LiCoC 2 -composite electrodes, of which one electrode (unfilled squares) consists of unstructured composite material, while the other electrode (filled squares) is an electrode material structured according to the invention. having . The first 10 cycles / g performed with egg ¬ nem charge / discharge current of 28 mA, followed by 100 cycles of 140 mA / g. Finally, 10 cycles of 28 mA / g were examined. It can be clearly seen that the cycle stability is significantly improved by the present invention.
Fig. 7a) zeigt REM-Aufnahmen von unstrukturiertem Elektrodenmaterial (Stand der Technik) nach 1000 elektrochemischen Zyklen, während in Fig. 7b) REM-Aufnahmen von erfindungsgemäß strukturiertem Elektroden¬ material nach 2000 elektrochemischen Zyklen dargestellt ist. Hieraus lässt sich erkennen, dass sich bei den unstrukturierten Kornagglomeraten nach erfolgter elektrochemischer Zyklisierung Risse ausbilden, während in den erfindungsgemäß strukturierten Schichten keine Risse zu finden waren. Offensichtlich werden durch die vorliegende Erfindung mechanische Degradationsprozesse vermieden. Fig. 7a) shows SEM images of unstructured electrode material (prior art) after 1000 electrochemical cycles, while shown in Fig. 7b) SEM images of the present invention structured electrode material after 2000 ¬ electrochemical cycles. From this it can be seen that cracks form in the unstructured grain agglomerates after electrochemical cyclization, while no cracks were found in the layers structured according to the invention. Obviously, the present invention avoids mechanical degradation processes.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien in Form einer ge- pressten Schicht (1), die eine Schichtdicke von 10 μιτι bis 1. electrode material for lithium-ion batteries in the form of a compressed layer (1) having a layer thickness of 10 μιτι to
1 mm aufweist, umfassend mindestens 80 % eines Aktivmaterials (3) aus einem Lithium-Ionen-Leiter, das als partikuläres  1 mm, comprising at least 80% of an active material (3) made of a lithium-ion conductor, as a particulate
Material vorliegt, und höchstens 20 % an Binder (5) und an Leit¬ fähigkeitsadditiven (4), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein an eine Oberfläche der Schicht (1) angrenzender Bereich eine Struktur aus kegelförmigen Elementen (8, 8', 8'' ...) aufweist, die sich auf einem Untergrund aus dem partikulären Material befinden und aus lokal abgetragenem Material der Schicht (1) durch Mate- rialumlegung gebildet sind, wobei neben dem Aktivmaterial (3) auch der Binder (5) und die Leitfähigkeitsadditive (4) erhalten bleiben . Material is present, and at most 20% of binder (5) and Leit ¬ ability additives (4), characterized in that at least one of a surface of the layer (1) adjacent area a structure of conical elements (8, 8 ', 8''...), which are located on a substrate of the particulate material and from locally abraded material of the layer (1) are formed by Mate ralumlegung, wherein in addition to the active material (3) and the binder (5) and the conductivity additives (4) are preserved.
2. Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gepresste Schicht (1) eine Schichtdicke von 20 μπι bis 150 μπι besitzt . 2. electrode material according to claim 1, characterized in that the pressed layer (1) has a layer thickness of 20 μπι to 150 μπι.
3. Elektrodenmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial (3) eine Li (NixMnyCoz) 02- Verbindung, wobei 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1 und 3. The electrode material according to claim 1 or 2, characterized in that the active material (3) a Li (Ni x Mn y Co z ) 0 2 - compound, wherein 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z < 1 and
x + y + z = 1, enthält.  x + y + z = 1, contains.
4. Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das partikuläre Material einen mittleren Partikel- oder Agglomeratdurchmesser von 0,5 μπι bis 10 μιη, höchstens jedoch von der Schichtdicke, aufweist. 4. electrode material according to one of claims 1 to 3, characterized ge ¬ indicates that the particulate material has an average particle or Agglomeratdurchmesser of 0.5 μπι to 10 μιη, but at most of the layer thickness.
5. Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der kegelförmigen Elemente (8, 8', 8'' ...) einen Wert von 10 μιη bis 50 μπι, höchstens jedoch von der Schichtdicke, annimmt. 5. electrode material according to one of claims 1 to 4, characterized in that the height of the conical elements (8, 8 ', 8''...) has a value of 10 μιη to 50 μπι, but at most of the layer thickness, assumes.
6. Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwertsbreite der kegelförmigen Elemente (8, 8', 8'' ...) einen Wert von 1 μπι bis 20 μπι besitzt. 6. electrode material according to one of claims 1 to 5, characterized in that the half-width of the conical elements (8, 8 ', 8' '...) has a value of 1 μπι to 20 μπι.
7. Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei Spitzen der kegel¬ förmigen Elemente (8, 8', 8'' ...) einen Wert von 1 μπι bis 50 μιη annimmt . 7. electrode material according to one of claims 1 to 6, characterized ge ¬ indicates that the distance between two tips of the conical ¬ shaped elements (8, 8 ', 8''...) assumes a value of 1 μπι to 50 μιη.
8. Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (1) aus dem Elektrodenmaterial auf einem Substrat (2) aus einem Metall oder einer Legierung aufgebracht ist, das eine Dicke von 5 μπι bis 50 μπι, höchstens jedoch die Dicke des Elektrodenmaterials (1), besitzt. 8. electrode material according to one of claims 1 to 7, characterized in that the layer (1) of the electrode material on a substrate (2) made of a metal or an alloy is applied, which has a thickness of 5 μπι to 50 μπι, but at most the thickness of the electrode material (1) possesses.
9. Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials für Lithium- Ionen-Batterien nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durch Bestrahlen eines in Form einer gepressten Schicht (1) mit einer Schichtdicke von 10 μτα bis 1 mm bereitgestellten Elektrodenmaterials, das min¬ destens 80 % eines Aktivmaterials (3) aus einem Lithium-Ionen- Leiter, das als partikuläres Material vorliegt, und höchstens 209. A method for producing an electrode material for lithium-ion batteries according to one of claims 1 to 8 by irradiating an in the form of a pressed layer (1) with a layer thickness of 10 μτα to 1 mm provided electrode material, the min ¬ least 80% of a Active material (3) of a lithium ion conductor, which is present as a particulate material, and at most 20
% an Binder (5) und an Leitfähigkeitsadditiven (4) umfasst, mit 100 bis 10000 Laserpulsen (6), die jeweils eine Energiedichte von 1,5 J/cm2 bis 3 J/cm2 aufweisen, wodurch in mindestens einem an die Oberfläche der Schicht (1) angrenzenden Bereich eine Struktur erzeugt wird, die aus kegelförmigen Elementen (8, 8', 8'' ...) , die sich mit einer Höhe von 20 μπι bis 150 μπι, höchstens jedoch der Schichtdicke, auf einem Untergrund aus dem partikulären Material ausbilden, besteht, wobei in der durch Materialumlagerung gebildeten Struktur neben dem Aktivmaterial (3) auch der Binder (5) und die Leitfähigkeitsadditive (4) erhalten bleiben. % of binder (5) and of conductivity additives (4), with 100 to 10000 laser pulses (6), each having an energy density of 1.5 J / cm 2 to 3 J / cm 2 , whereby at least one of the surface The layer (1) adjacent region, a structure is generated, the conical elements (8, 8 ', 8''...), with a height of 20 μπι to 150 μπι, but at most the layer thickness, on a substrate form from the particulate material, wherein in the structure formed by material rearrangement in addition to the active material (3) and the binder (5) and the conductivity additives (4) are retained.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei für die Laserpulse (6) eine Pulslänge im Bereich von 500 ps bis 500 ns eingestellt wird. The method of claim 9, wherein for the laser pulses (6) a pulse length in the range of 500 ps to 500 ns is set.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015212815A1 (en) * 2015-07-08 2017-01-12 Robert Bosch Gmbh Electrode material and method for its production
DE102018105669A1 (en) 2018-03-12 2019-09-12 Hochschule Aalen Method for producing an electrode for a battery
CN112582583A (en) * 2020-12-15 2021-03-30 东莞维科电池有限公司 Preparation method of quick-charging type lithium ion battery pole piece, pole piece and lithium ion battery

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6143375A (en) * 1999-01-28 2000-11-07 Komag, Incorporated Method for preparing a substrate for a magnetic disk
EP1244163A1 (en) * 1999-10-22 2002-09-25 Sanyo Electric Co., Ltd. Electrode for lithium secondary cell and lithium secondary cell
DE69901178T2 (en) 1998-05-29 2002-11-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd NON-SINTERED ELECTRODES AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
US20090202903A1 (en) 2007-05-25 2009-08-13 Massachusetts Institute Of Technology Batteries and electrodes for use thereof
US20090280407A1 (en) 2006-12-27 2009-11-12 Shuji Ito Battery, electrode, and current collector used therefor
US20100035152A1 (en) 2008-08-05 2010-02-11 Sakti3, Inc. Electrochemical cell including functionally graded and architectured components and methods
US20110027650A1 (en) 2009-02-27 2011-02-03 Taisuke Yamamoto Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery and non-aqueous electrolyte secondary battery
WO2011029058A2 (en) * 2009-09-03 2011-03-10 Molecular Nanosystems, Inc. Methods and systems for making electrodes having at least one functional gradient therein and devices resulting therefrom

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002061864A1 (en) * 2001-01-31 2002-08-08 Korea Institute Of Science And Technology A lithium electrode comprising surface-treated lithium particles, its fabrication method and lithium battery comprising the same
CN101512799B (en) * 2006-08-29 2011-12-07 松下电器产业株式会社 Current collector, electrode, and non-aqueous electrolyte secondary battery

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69901178T2 (en) 1998-05-29 2002-11-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd NON-SINTERED ELECTRODES AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
US6143375A (en) * 1999-01-28 2000-11-07 Komag, Incorporated Method for preparing a substrate for a magnetic disk
EP1244163A1 (en) * 1999-10-22 2002-09-25 Sanyo Electric Co., Ltd. Electrode for lithium secondary cell and lithium secondary cell
US20090280407A1 (en) 2006-12-27 2009-11-12 Shuji Ito Battery, electrode, and current collector used therefor
US20090202903A1 (en) 2007-05-25 2009-08-13 Massachusetts Institute Of Technology Batteries and electrodes for use thereof
US20100035152A1 (en) 2008-08-05 2010-02-11 Sakti3, Inc. Electrochemical cell including functionally graded and architectured components and methods
WO2010062391A2 (en) * 2008-11-26 2010-06-03 Massachusetts Institute Of Technology Batteries and electrodes for use thereof
US20110027650A1 (en) 2009-02-27 2011-02-03 Taisuke Yamamoto Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery and non-aqueous electrolyte secondary battery
WO2011029058A2 (en) * 2009-09-03 2011-03-10 Molecular Nanosystems, Inc. Methods and systems for making electrodes having at least one functional gradient therein and devices resulting therefrom

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. JOSSEN; W. WEYDANZ: "Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen", INGE REICHARDT VERLAG
J.W. LONG; B. DUNN; D.R. ROLISON: "Three Dimensional Battery Architectures", CHEM. REV., vol. 104, 2004, pages 4463 FF
R. KOHLER; P. SMYREK; S. ULRICH: "Patterning and Annealing of nanocrystalline LiCo02 thin films", J. OPTOELECTRONICS ADV. MAT., vol. 12, 2010, pages 547 - 552

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