[go: up one dir, main page]

WO2002058172A2 - Elektrode einer lithium als aktives material enthaltenden elektrochemischen anordnung - Google Patents

Elektrode einer lithium als aktives material enthaltenden elektrochemischen anordnung Download PDF

Info

Publication number
WO2002058172A2
WO2002058172A2 PCT/AT2002/000015 AT0200015W WO02058172A2 WO 2002058172 A2 WO2002058172 A2 WO 2002058172A2 AT 0200015 W AT0200015 W AT 0200015W WO 02058172 A2 WO02058172 A2 WO 02058172A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode according
threads
electrode
electroactive material
carrier layer
Prior art date
Application number
PCT/AT2002/000015
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2002058172A3 (de
Inventor
Martha Maly-Schreiber
Adam Whitehead
Original Assignee
Funktionswerkstoffe Forschungs- U. Entwicklungs Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Funktionswerkstoffe Forschungs- U. Entwicklungs Gmbh filed Critical Funktionswerkstoffe Forschungs- U. Entwicklungs Gmbh
Priority to AU2002226172A priority Critical patent/AU2002226172A1/en
Publication of WO2002058172A2 publication Critical patent/WO2002058172A2/de
Publication of WO2002058172A3 publication Critical patent/WO2002058172A3/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/004—Details
    • H01G9/04—Electrodes or formation of dielectric layers thereon
    • H01G9/048—Electrodes or formation of dielectric layers thereon characterised by their structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/663—Selection of materials containing carbon or carbonaceous materials as conductive part, e.g. graphite, carbon fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/665—Composites
    • H01M4/667—Composites in the form of layers, e.g. coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/80—Porous plates, e.g. sintered carriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/80—Porous plates, e.g. sintered carriers
    • H01M4/806—Nonwoven fibrous fabric containing only fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to an electrode of an electrochemical arrangement containing lithium as the active material, in particular a Li battery or a Li capacitor, consisting of at least one electrically well-structured, structured carrier layer and an electrically conductively connected layer of electroactive material, which is used for solid bodies -Ion exchange reactions experience relatively large volume changes.
  • a Li battery or a Li capacitor consisting of at least one electrically well-structured, structured carrier layer and an electrically conductively connected layer of electroactive material, which is used for solid bodies -Ion exchange reactions experience relatively large volume changes.
  • Electrodes of the type mentioned such as, for example, lithium-ion batteries, lithium batteries, lithium-polymer batteries and the like, generally consist, among other things, of one or more electrodes, which in turn are a combination of electroactive material - and optionally various additives - are constructed with an electrical conductor.
  • the actual conductor in this composite consists, for example, of an etched or perforated metal foil, one of the type of. Expanded metal produced metal foil, a mesh-like metal grid, or the like. Examples of this can be found, for example, in US 6,103,416 A, US 4,794,060 A or also EP 1 033 767 A1.
  • the object of the present invention is to improve an electrode of the type mentioned at the outset in such a way that the disadvantages of the known arrangements are avoided and, in particular, that the relatively large changes in volume of the electroactive material in the ion exchange reactions are compensated for in a simple manner and thus the service life is extended the overall arrangement is possible with a consistently good usable energy density.
  • the carrier layer consists of a three-dimensional fabric made of electrically conductive flexible threads which are coated with the electroactive material at least in regions over at least a large part of the fabric thickness.
  • Such fabrics can be made in the manner of fabrics in a known manner very simply using weaving or knitting technology, it being fundamentally irrelevant whether the lattice structure is first woven or knitted, for example, from non-conductive plastic threads and then made suitable in a suitable manner overall is, or whether the weaving or knitting is done with previously conductive threads or threads previously made separately conductive.
  • the production of the three-dimensional fabric by weaving (from at least two (warp and weft) or even several threads) or by knitting (knitting, crocheting, bobbin lace - from one thread) is completely equivalent for the purposes of the present invention - any other could other suitable methods for producing such three-dimensional lattice structures are used.
  • the resulting flexible lattice or its thread structure is according to the invention then at least in some areas (but could also be continuous overall) coated with the electroactive material.
  • the generally flexible three-dimensional lattice work can compensate for this relatively generously locally by warping the individual lattice threads, without mechanical stresses that cannot be controlled over large areas and the associated separations of electroactive material would be feared.
  • volume changes of up to about 259% must be expected or countered accordingly.
  • the gradual loss of charge capacity with each charge cycle that has hitherto been associated with such materials can be kept very simple in the manner described, the three-dimensional lattice work additionally giving the advantage of stable arrangements with high energy density.
  • the carrier layer has locally different weave densities, which offers a wide variety of options for influencing the design of the overall arrangement. For example, increased conductivity and mechanical stability can be provided in a denser woven area or in a denser layer, whereas more electroactive material is arranged on the flexible threads in looser or woven areas with greater grid spacings, or the penetrability of the structure for the electrolyte or additives can be improved.
  • the different current densities prevailing in different areas of the electrochemical arrangement can also be better taken into account via different weave densities.
  • the backing layer is multilayer, with at least one relatively dense and at least one relatively loosely woven layer, with which the functional division already mentioned above is divided into a stable, highly conductive and a flexible, relatively much electroactive material-carrying layer is easily achieved.
  • At least one of the layers can have a woven-in pattern with a weaving density that increases at least in some areas towards the external connection of the electrode, which offers the advantages already mentioned above with regard to taking account of locally different current densities.
  • the backing layer as a whole consists of a three-dimensionally woven polymer material woven at least in part and / or locally different weave density, at least partially composed of electrically conductive coated fibers, preferably of monofilament or very long individual threads and without ends protruding from the fabric.
  • the thickness of the interwoven threads is in the range from 0.05 to 1.0 mm, which makes it possible to cover a wide variety of requirements for such arrangements with corresponding electrode designs.
  • non-conductive threads for example the polymer fibers mentioned, these can be provided in a preferred further embodiment of the invention with a continuous coating of 0.01 to 10 ⁇ m thickness of a metal Group Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, Al, Ag, Au, Mn, stainless steel or their alloys or with other conductive substances, such as electrically conductive oxides, conductive carbon black or the like, can be coated in various known suitable ways, wherein it can additionally be provided that this continuous conductive coating with a second continuous coating from the group of the following metals or their alloys: Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, Al, Ag, Au, Mn and stainless steel, or with conductive oxides or Carbon black is coated, the total thickness of both layers not exceeding 15 ⁇ m. With these configurations, the most varied areas of application of such electrodes or materials used can be covered.
  • the plastic woven threads can consist of fibers of a polymer from the following group: polyester, silicone rubbers, polyethylene, polypropylene, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, poly-tetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride.
  • independent metallic threads preferably made of a metal from the group Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, Al, Ag, Au, Mn, stainless steel or their alloys, can be woven into the carrier layer at regular intervals, preferably with a diameter, which corresponds in size to the diameter of the conductively coated fibers.
  • the conductivity in the three-dimensional grid of the electrode can, if necessary, be further influenced locally and adapted to the respective requirements, it usually being possible to find sufficiency with a relatively small percentage of such continuously conductive threads in order not to unnecessarily increase the total weight of the electrode increase.
  • FIG. 1 shows a detail from an electrode according to the invention with a region-wise coating of a plastic thread made superficially conductive with electroactive material
  • FIG. 2 shows the effects of volume changes of the electroactive coating according to FIG. 1 in the case of ion exchange reactions
  • FIG. 3 shows one of the 1 corresponding detail with a continuous coating with electroactive material over a larger area
  • FIG. 4 shows a schematic view of a part of an electrode according to the invention with two areas of locally different weave density of the carrier layer
  • FIG. 5 shows the arrangement according to FIG. 4 during volume changes during Ion exchange reactions
  • FIGS. 6 to 8 show examples of carrier layers of electrodes made up of several layers with locally different weave densities according to the present invention.
  • FIGS. 1 to 3 each show a region of a thread 1 made of a three-dimensional fabric 2 (see also FIGS. 4 to 8), which forms the carrier layer 3 of the electrode of an electrochemical arrangement, which electrode is not shown in further detail.
  • the threads 1 are coated according to FIGS. 1 to 3 with a continuous coating 4 made of conductive material, such as copper, iron, stainless steel, conductive carbon black or the like, and are themselves preferably made of polymer - apart from that, individual or all of the threads could 1 also consist of self-conductive material or other conductive coated materials.
  • the carrier layer 3 of the electrode which consists of the three-dimensional fabric 2 made of electrically conductive, flexible threads 1, is at least partially covered over at least some areas of the fabric thickness 5 indicated in FIGS.
  • electroactive material 6 which undergoes relatively large volume changes in ion exchange reactions, for example with the electroactive substances commonly used in lithium-ion batteries, lithium batteries, lithium polymer batteries and similar arrangements, such as about Sn.
  • electroactive substances commonly used in lithium-ion batteries, lithium batteries, lithium polymer batteries and similar arrangements, such as about Sn.
  • aluminum such metals and alloys have so far been practically not used in corresponding arrangements, since they tend to mechanically separate from their base due to the large volume changes when Li + (or the like) ions are taken up or released, which is the case with batteries, for example a gradual loss of charge capacity with each charge cycle.
  • the backing layer 3 has a locally different weave density of the three-dimensional fabric 2 on which it is based, with the backing layer 3 having multiple layers in at least one embodiment, with at least one relatively densely (9) and at least one relatively loosely woven layer (8) is trained.
  • the more densely woven layer 9 can increasingly take on the tasks of lossless power conduction and a relatively high mechanical stability, while the loosely woven layers offer more space for the electroactive material or the electrolyte and other substances.
  • the more densely woven layer 9 has a woven-in pattern with a weaving density increasing at least in regions towards the external connection (10) of the electrode, which takes into account the fact that the current density also increases towards this connection.
  • Such patterns can be produced very easily in the woven or knitted grid of the carrier layer on looms or similar devices.
  • monofilament or very long individual threads are preferably used to produce the fabric, since ends protruding from the fabric (as for example in the case of felt) increase the risk of short-circuiting in the overall arrangement.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)

Abstract

Die Elektrode einer elektrochemischen Anordnung besteht aus einer elektrisch gut leitenden, strukturierten Trägerschicht (3) und einer damit elektrisch leitend verbundenen Schicht aus elektroaktivem Material (6), welches bei lonenaustauchreaktionen relativ gro?e Volumenänderungen erfährt, wie etwa Sn. Um mechanische Abtrennungen des elektroaktiven Materials, was beispielsweise bei Batterien zu einem graduellen Verlust an Ladungskapazität bei jedem Ladungszyklus führt, zu vermeiden, besteht die Trägerschicht (3) aus einem dreidimensionalen Gewebe (2) aus elektrisch leitfähigen flexiblen Fäden (1), welche über zumindest einen Großteil der Gewebedicke (5) zumindest bereichsweise mit dem elektroaktivem Material (6) beschichtet sind, womit die Volumenänderungen des elektroaktiven Materials (6) in internen Gewebeverformungen abgefangen werden können.

Description

Elektrode einer elektrochemischen Anordnung
Die Erfindung betrifft eine Elektrode einer elektrochemischen, Lithium als aktives Material enthaltenden Anordnung, insbesonders einer Li-Batterie oder eines Li- Kondensators, bestehend zumindest aus einer elektrisch gut leitenden, strukturierten Trägerschicht und einer damit elektrisch leitend verbundenen Schicht aus elektroaktivem Material, welches bei Festkörper-Ionenaustauschreaktionen relativ große Volumenänderungen erfährt.
Bekannte elektrochemische Anordnungen mit Elektroden der genannten Art, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Batterien, Lithium-Polymer- Batterien und dergleichen, bestehen im allgemeinen unter anderem aus einer oder mehreren Elektroden, welche ihrerseits als Verbund von elektroaktivem Material - und gegebenenfalls diversen Zusatzstoffen - mit einem Stromleiter aufgebaut sind. Der eigentliche Stromleiter in diesem Verbund besteht beispielsweise aus einer geätzten oder perforierten Metallfolie, einer nach Art von. Streckmetall hergestellten Metallfolie, einem netzartigen Metallgitter, oder dergleichen. Beispiele dafür sind etwa in US 6,103,416 A, US 4,794,060 A oder auch EP 1 033 767 A1 zu finden.
Besondere Schwierigkeiten bereiten bei derartigen Anordnungen die teilweise extrem großen Volumenänderungen, welche gewisse elektroaktive Materialien (z.B. Sn, AI oder dergleichen) bei den lonenaustauschreaktionen während des Ladens bzw. Entladens erfahren, da dabei elektroaktives Material vom sonstigen Elektrodenmaterial mechanisch abgetrennt wird, was beispielsweise bei Batterien zu einem graduellen Verlust an Ladungskapazität bei jedem Ladungszyklus führt. Diesem bekannten Problem wird bei den genannten Anordnungen nach dem Stand der Technik dadurch abzuhelfen versucht, dass das im wesentlichen zweidimensional vorliegen¬
de Folien- bzw. Gittermaterial mit entsprechenden Porositäten zur Kompensation der Volumenänderungen ausgestattet wird, was aber einerseits nicht richtig funktioniert und andererseits wegen der- dünnen Schichten auch Nachteile beispielsweise im Hinblick auf die Energiedichte der Gesamtanordnung bringt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektrode der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die erwähnten Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden werden und dass insbesondere auf einfache Weise eine Kompensation der relativ großen Volumenänderungen des elektroaktiven Materials bei den lonenaustauschreaktionen und damit eine Verlängerung der Lebensdauer der Gesamtanordnung bei gleichbleibend guter ausnutzbarer Energiedichte möglich wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Elektrode der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Trägerschicht aus einem dreidimensionalen Gewebe aus elektrisch leitfähigen flexiblen Fäden besteht, welche über zumindest einen Großteil der Gewebedicke zumindest bereichsweise mit dem elektroaktivem Material beschichtet sind. Derartige Gewebe können nach Art von Stoffen in bekannter Weise sehr einfach in Web- bzw. Wirktechnik hergestellt werden, wobei es grundsätzlich gleichgültig ist, ob die Gitterstruktur zuerst beispielsweise aus an sich nicht leitfähigen Kunststofffäden gewebt bzw. gewirkt und dann insgesamt auf geeignete Weise leitfähig gemacht wird, oder ob das Weben oder Wirken mit bereits vorher leitfähigen Fäden bzw. vorher separat leitfähig gemachten Fäden erfolgt. Die Herstellung des dreidimensionalen Gewebes durch Weben (aus zumindest zwei (Kette und Schuss) oder auch mehreren Fäden) oder durch Wirken (Stricken, Häkeln, Klöppeln - aus einem Faden) ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung völlig gleichwertig - es könnten auch alle anderen weiteren geeigneten Verfahren zur Herstellung solcher dreidimensionaler Gitterstrukturen Verwendung finden. Das entstehende flexible Gitterwerk bzw. dessen Fadenstruktur wird gemäß der Erfindung dann zumindest bereichsweise (könnte aber auch insgesamt durchgehend sein) mit dem elektroaktiven Material beschichtet. Wenn es nun bei den lonenaustauschreak- tionen zu den erwähnten relativ großen Volumenänderungen im elektroaktiven Material kommt, kann das insgesamt flexible dreidimensionale Gitterwerk diese relativ großzügig lokal durch Verkrümmungen der einzelnen Gitterfäden ausgleichen, ohne dass über große Bereiche nicht beherrschbare mechanische Spannungen und die damit einhergehenden Abtrennungen von elektroaktivem Material zu befürchten wären. So muß beispielsweise bei Verwendung von auf verschiedenste Weise elektrochemisch aufgebrachtem Sn als elektroaktivem Material für Lithiumbatterien bzw. - akkus mit Volumsänderungen bis etwa 259 % gerechnet bzw. diesen entsprechend begegnet werden. Der sonst mit derartigen Materialien bis dato einhergehende graduelle Verlust an Ladungskapazität bei jedem Ladungszyklus kann auf die beschriebene Weise sehr einfach hintan gehalten werden, wobei durch das dreidimensionale Gitterwerk zusätzlich der Vorteil von stabilen Anordnungen mit hoher Energiedichte erhalten wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Trägerschicht lokal unterschiedliche Webdichte aufweist, was vielfältigste Einflussmöglichkeiten auf die Auslegung der Gesamtanordnung bietet. So kann beispielsweise in einem dichter gewobenen Bereich bzw. in einer dichteren Schichte erhöhte Leitfähigkeit und mechanische Stabilität bereitgestellt werden, wogegen in lockerer bzw. mit größeren Gitterabständen gewebten Bereichen mehr elektroaktives Material auf den flexiblen Fäden angeordnet beziehungsweise die Durchdringbarkeit der Struktur für den Elektrolyten oder Zusatzstoffe verbessert werden kann. Auch können über unterschiedliche Webdichten die in unterschiedlichen Bereichen der elektrochemischen Anordnung herrschenden verschiedenen Stromdichten besser berücksichtigt werden. Die Trägerschicht ist in weiters bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung mehrlagig, mit zumindest einer relativ dicht und zumindest einer relativ locker verwobenen Schicht ausgebildet, womit die oben bereits angesprochene funktioneile Aufteilung in eine stabile, gut leitende und eine in sich flexible, relativ viel elektroaktives Material tragende Schicht einfach erreicht ist.
Zumindest eine der Schichten kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein eingewebtes Muster mit zum Außenanschluss der Elektrode hin zumindest bereichsweise zunehmender Webdichte aufweisen, was die oben stehend bereits erwähnten Vorteile im Hinblick auf Berücksichtigung lokal unterschiedlicher Stromdichten bietet.
Nach einer besonders bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Trägerschicht insgesamt aus einem dreidimensional mit schichtweise und/oder lokal unterschiedlicher Webdichte verwobenen, zumindest teilweise aus elektrisch leitend beschichteten Fasern aufgebauten Polymerstoff, vorzugsweise aus Monofilament bzw. sehr langen Einzelfäden und ohne aus dem Gewebe vorstehenden Enden, besteht. Dies ermöglicht eine sehr einfache industrielle Herstellung entsprechender Elektroden, wobei durch das Verhindern von vorstehenden Enden (im Gegensatz beispielsweise zu Filzen oder dergleichen) Kurzschlüsse in der Anordnung vermieden werden.
Die Dicke der verwobenen Fäden liegt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung im Bereich von 0,05 bis 1 ,0 mm, was das Abdecken vielfältigster Anforderungen an derartige Anordnungen mit entsprechenden Elektrodenausgestaltungen ermöglicht.
Soferne nichtleitende Fäden, beispielsweise die erwähnten Polymerfasern, verwendet werden, können diese in bevorzugter weiterer Ausgestaltung der Erfindung mit einem kontinuierlichen Überzug von 0,01 bis 10 μm Dicke eines Metalls der Gruppe Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, AI, Ag, Au, Mn, rostfreiem Stahl oder deren Legierungen oder mit anderen leitfähigen Substanzen, wie etwa elektrisch leitenden Oxiden, Leitruß oder dergleichen, auf verschiedenste bekannte, geeignete Weise beschichtet sein, wobei zusätzlich vorgesehen sein kann, dass dieser kontinuierliche leitende Überzug mit einem zweiten kontinuierlichen Überzug aus der Gruppe folgender Metalle oder deren Legierungen: Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, AI, Ag, Au, Mn und rostfreiem Stahl, oder mit leitenden Oxiden oder Leitruß beschichtet ist, wobei die Gesamtdicke beider Schichten 15 μm nicht überschreitet. Mit diesen Ausgestaltungen können verschiedenste Anwendungsgebiete derartiger Elektroden bzw. verwendete Materialien abgedeckt werden.
Die Kunststoff-Webfäden können in weiters bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung aus Fasern eines Polymers folgender Gruppe bestehen: Polyester, Silicongummis, Polyethylen, Polypropylen, Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer, Poly- tetrafluorethylen und Polyvinylidenfluoride.
In die Trägerschicht können zusätzlich eigenständige metallische Fäden, vorzugsweise aus einem Metall der Gruppe Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, AI, Ag, Au, Mn, rostfreiem Stahl oder deren Legierungen, in regelmäßigen Intervallen miteingewoben sein, vorzugsweise mit einem Durchmesser, der in der Größenordnung dem Durchmesser der leitend beschichteten Fasern entspricht. Auf diese Weise kann die Leitfähigkeit im dreidimensionalen Gitter der Elektrode bedarfsweise auch lokal weiter beeinflusst und an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden, wobei üblicherweise mit einem relativ geringen Prozentsatz derartiger durchgehend leitfähiger Fäden das Auslangen zu finden sein wird, um das Gesamtgewicht der Elektrode nicht unnötig zu erhöhen. Die Erfindung wird im folgenden noch anhand der in den beigeschlossenen schematischen Zeichnungen verdeutlichten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Fig. 1 zeigt dabei ein Detail aus einer erfindungsgemäßen Elektrode mit einer bereichsweisen Beschichtung eines oberflächlich leitfähig gemachten Kunststofffadens mit elektroaktivem Material, Fig. 2 zeigt die Auswirkungen von Volumenänderungen der elektroaktiven Beschichtung gemäß Fig. 1 bei lonenaustauschreaktionen, Fig. 3 zeigt ein der Fig. 1 entsprechendes Detail mit einer über einen größeren Bereich durchgehenden Beschichtung mit elektroaktivem Material, Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Elektrode mit zwei Bereichen von lokal unterschiedlicher Webdichte der Trägerschicht, Fig. 5 zeigt die Anordnung nach Fig. 4 bei Volumenänderungen während lonenaustauschreaktionen und Fig. 6 bis 8 zeigen Beispiele für aus mehreren Schichten mit lokal unterschiedlicher Webdichte aufgebaute Trägerschichten von Elektroden nach der vorliegenden Erfindung.
Die Detailansichten nach den Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils einen Bereich eines Fadens 1 aus einem dreidimensionalen Gewebe 2 (siehe auch Fig. 4 bis 8), welches die Trägerschicht 3 der nicht im Detail weiter dargestellten Elektrode einer elektrochemischen Anordnung bildet. Die Fäden 1 sind gemäß den Fig. 1 bis 3 mit einem kontinuierlichen Überzug 4 aus leitfähigem Material, wie etwa Kupfer, Eisen, rostfreiem Stahl, Leitruß oder dergleichen, beschichtet und bestehen selbst vorzugsweise aus Polymer - davon abgesehen könnten aber einzelne oder alle der Fäden 1 auch aus selbst leitfähigem Material oder anderen leitfähig beschichteten Stoffen bestehen.
Die aus dem dreidimensionalen Gewebe 2 aus elektrisch leitfähigen, flexiblen Fäden 1 bestehende Trägerschicht 3 der Elektrode ist über zumindest einen Großteil der in Fig. 4 und 5 angedeuteten Gewebedicke 5 zumindest bereichsweise auf ver- schiedenste, an sich bekannte, geeignete Weise mit elektroaktivem Material 6 beschichtet, welches bei lonenaustauschreaktionen relativ große Volumenänderungen erfährt, beispielsweise mit den üblicherweise in Lithium-Ionen-Batterien, Lithium- Batterien, Lithium-Polymer-Batterien und ähnlichen Anordnungen verwendeten elektroaktiven Substanzen, wie etwa Sn. Mit Ausnahme von Aluminium wurden derartige Metalle und Legierungen bis jetzt aber praktisch nicht in entsprechenden Anordnungen verwendet, da sie zufolge der großen Volumenänderungen bei Aufnahme bzw. Abgabe von Li+ (oder dergleichen) Ionen zur mechanischen Abtrennung von ihrer Grundlage tendieren, was beispielsweise bei Batterien zu einem graduellen Verlust an Ladungskapazität bei jedem Ladungszyklus führt. Bei der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung führt nun (wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist) die Einlagerung von Li+ Ionen in das elektroaktive Material 6 naturgemäß ebenfalls zu einer entsprechenden Ausdehnung desselben (wie in Fig. 2 durch die Pfeile 7 angedeutet), was aber zufolge der Flexibilität der Fäden 1 lediglich zu einer bereichsweisen Verkrümmung derselben führt - siehe dazu auch die schematische Darstellung in Fig. 5. Obwohl dieser Ausgleich der Volumenänderungen des elektroaktiven Materials 6 bei lonenaustauschreaktionen naturgemäß bei nicht durchgehend aufgebrachter Beschichtung aus elektroaktivem Material (gemäß Fig.1 und 2) am deutlichsten auftritt bzw. am einsichtigsten verständlich ist, kann gemäß der Erfindung die Beschichtung aus elektroaktivem Material 6 (wie in Fig. 3 dargestellt) auch durchgehend über zumindest größere Bereiche der elektrisch leitfähigen, flexiblen Fäden 1 aufgebracht sein, wobei das Gewebe 2 der Trägerschicht 3 trotzdem noch ausreichende innere Flexibilität besitzt um die bei lonenaustauschreaktionen auftretenden
Ausdehnungen und Kontraktionen der aufgebrachten Schicht auszugleichen ohne dass es zu mechanischen Beschädigungen des Zusammenhaltes kommen würde. Die Trägerschicht 3 weist gemäß den Fig. 4 bis 8 lokal unterschiedliche Webdichte des hier zugrundeliegenden dreidimensionalen Gewebes 2 auf, wobei in allen dargestellten Ausführungen die Trägerschicht 3 mehrlagig, mit zumindest einer relativ dicht (9) und zumindest einer relativ locker verwobenen Schicht (8) ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die dichter gewebte Schicht 9 vermehrt die Aufgaben einer möglichst verlustfreien Stromleitung und einer relativ hohen mechanischen Stabilität übernehmen, während die locker verwobenen Schichten mehr Platz für das elektroaktive Material bzw. den Elektrolyten und weitere Substanzen bieten.
Gemäß Fig. 8 weist die dichter gewebte Schicht 9 ein eingewebtes Muster mit zum Außenanschluss (10) der Elektrode hin zumindest bereichsweise zunehmender Webdichte auf, was dem Umstand Rechnung trägt, dass zu diesem Anschluss hin auch die Stromdichte zunimmt. Derartige Muster lassen sich sehr einfach im gewebten bzw. gewirkten Gitter der Trägerschicht auf Webstühlen oder ähnlichen Vorrichtungen herstellen.
Bei allen Ausführungen werden bevorzugt Monofilament bzw. sehr lange Einzelfäden zur Herstellung des Gewebes verwendet, da aus dem Gewebe vorstehende Enden (wie beispielsweise bei Filz) die Kurzschlussgefahr in der Gesamtanordnung erhöhen.
Patentansprüche:

Claims

Patentansprüche:
1. Elektrode einer elektrochemischen, Lithium als aktives Material enthaltenden Anordnung, insbesonders einer Li-Batterie oder eines Li-Kondensators, bestehend zumindest aus einer elektrisch gut leitenden, strukturierten Trägerschicht (3) und einer damit elektrisch leitend verbundenen Schicht aus elektroaktivem Material (6), welches bei Festkörper-Ionenaustauschreaktionen relativ große Volumenänderungen erfährt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Trägerschicht (3) aus einem dreidimensionalen Gewebe (2) aus elektrisch leitfähigen, flexiblen Fäden (1 ) besteht, welche über zumindest einen Großteil der Gewebedicke (5) zumindest bereichsweise mit dem elektroaktiven Material (6) beschichtet sind.
2. Elektrode nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (3) lokal unterschiedliche Webdichte aufweist.
3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (3) mehrlagig, mit zumindest einer relativ dicht (9) und zumindest einer relativ locker verwobenen Schicht (8) ausgebildet ist.
4. Elektrode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Schichten (8, 9) ein eingewebtes Muster mit zum Außenanschluss (10) der Elektrode hin zumindest bereichsweise zunehmender Webdichte aufweist.
5. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (3) insgesamt aus einem dreidimensional mit schichtweise und/oder lokal unterschiedlicher Webdichte verwobenen, zumindest teilweise aus elektrisch leitend beschichteten Fasern (1 ) aufgebauten Polymerstoff, vorzugsweise aus Monofilament bzw. sehr langen Einzelfäden und ohne aus dem Gewebe (2) vorstehenden Enden, besteht.
6. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der verwobenen Fäden (1 ) im Bereich von 0,05 - 1 ,0 mm liegt.
7. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden (1 ) mit einem kontinuierlichen Überzug (4) von 0,01 bis 10 μm Dicke eines Metalls der Gruppe Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, AI, Ag, Au, Mn, rostfreiem Stahl oder deren Legierungen oder mit anderen leitfähigen Substanzen, wie etwa elektrisch leitenden Oxiden, Leitruß oder dergleichen, beschichtet sind.
8. Elektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierliche leitende Überzug (4) mit einem zweiten kontinuierlichen Überzug aus der Gruppe folgender Metalle oder deren Legierungen: Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, AI, Ag, Au, Mn und rostfreiem Stahl, oder mit leitenden Oxiden oder Leitruß beschichtet ist, wobei die Gesamtdicke beider Schichten 15 μm nicht überschreitet.
9. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff-Webfäden (1) aus Fasern eines Polymers folgender Gruppe bestehen: Polyester, Silicongummis, Polyethylen, Polypropylen, Ethylen-Tetrafluorethlyen Copolymer, Polytetrafluorethylen und Polyvinyl- idenfluoride.
10. Elektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in die Trägerschicht (3) metallische Fäden, vorzugsweise aus einem Metall der Gruppe: Cu, Fe, Ti, Ni, Cr, AI, Ag, Au, Mn, rostfreiem Stahl oder deren Legierungen, in regelmäßigen Intervallen miteingewoben sind, vorzugsweise mit einem Durchmesser, der in der Größenordnung dem Durchmesser der leitend beschichteten Fasern (1 ) entspricht.
PCT/AT2002/000015 2001-01-19 2002-01-16 Elektrode einer lithium als aktives material enthaltenden elektrochemischen anordnung WO2002058172A2 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2002226172A AU2002226172A1 (en) 2001-01-19 2002-01-16 Electrode for an electrochemical arrangement containing lithium as active material

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT0009401A AT410860B (de) 2001-01-19 2001-01-19 Elektrode einer elektrochemischen anordnung
ATA94/2001 2001-01-19

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2002058172A2 true WO2002058172A2 (de) 2002-07-25
WO2002058172A3 WO2002058172A3 (de) 2002-11-21

Family

ID=3613974

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/AT2002/000015 WO2002058172A2 (de) 2001-01-19 2002-01-16 Elektrode einer lithium als aktives material enthaltenden elektrochemischen anordnung

Country Status (3)

Country Link
AT (1) AT410860B (de)
AU (1) AU2002226172A1 (de)
WO (1) WO2002058172A2 (de)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005009092A1 (de) * 2003-07-23 2005-01-27 Funktionswerkstoffe Forschungs- Und Entwicklungs Gmbh Flexible leiterbahn-struktur sowie verfahren zur herstellung und verwendung derselben
WO2007118281A1 (en) 2006-04-18 2007-10-25 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Flexible energy storage devices
EP2846384A1 (de) * 2013-09-04 2015-03-11 VARTA Microbattery GmbH Dünne und flexible elektrochemische Zelle
WO2019141303A1 (de) * 2018-01-16 2019-07-25 Elfolion Gmbh Folienartiges funktionsmaterial und verfahren zu dessen herstellung
DE102020122287A1 (de) 2020-08-26 2022-03-03 Audi Aktiengesellschaft Batteriezelle, Fahrzeugbatterie, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen eines Trägerelements für eine Elektrode einer Batteriezelle

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4076905A (en) * 1977-05-05 1978-02-28 Rockwell International Corporation Electrode for electrical energy storage device
US4994221A (en) * 1988-06-03 1991-02-19 Sharp Kabushiki Kaisha Method for the production of a carbon electrode
US5300165A (en) * 1989-04-14 1994-04-05 Katayama Special Industries, Ltd. Method for manufacturing a metallic porous sheet
EP0717457A2 (de) * 1994-11-28 1996-06-19 Katayama Special Industries, Ltd. Poröses Metallblech als Substrat für eine Batterieelektrode und Verfahren zu seiner Herstellung
US6030726A (en) * 1996-06-17 2000-02-29 Hitachi, Ltd. Lithium secondary battery having negative electrode of carbon material which bears metals
WO2001086742A1 (de) * 2000-05-10 2001-11-15 Funktionswerkstoffe Forschungs- U. Entwicklungs Gmbh Mehrschichtige elektrode

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4076905A (en) * 1977-05-05 1978-02-28 Rockwell International Corporation Electrode for electrical energy storage device
US4994221A (en) * 1988-06-03 1991-02-19 Sharp Kabushiki Kaisha Method for the production of a carbon electrode
US5300165A (en) * 1989-04-14 1994-04-05 Katayama Special Industries, Ltd. Method for manufacturing a metallic porous sheet
EP0717457A2 (de) * 1994-11-28 1996-06-19 Katayama Special Industries, Ltd. Poröses Metallblech als Substrat für eine Batterieelektrode und Verfahren zu seiner Herstellung
US6030726A (en) * 1996-06-17 2000-02-29 Hitachi, Ltd. Lithium secondary battery having negative electrode of carbon material which bears metals
WO2001086742A1 (de) * 2000-05-10 2001-11-15 Funktionswerkstoffe Forschungs- U. Entwicklungs Gmbh Mehrschichtige elektrode

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005009092A1 (de) * 2003-07-23 2005-01-27 Funktionswerkstoffe Forschungs- Und Entwicklungs Gmbh Flexible leiterbahn-struktur sowie verfahren zur herstellung und verwendung derselben
WO2007118281A1 (en) 2006-04-18 2007-10-25 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Flexible energy storage devices
EP2025023A1 (de) * 2006-04-18 2009-02-18 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Flexible energiespeicheranordnungen
EP2025023A4 (de) * 2006-04-18 2009-05-06 Commw Scient Ind Res Org Flexible energiespeicheranordnungen
US8192863B2 (en) 2006-04-18 2012-06-05 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Flexible energy storage devices
CN104425828A (zh) * 2013-09-04 2015-03-18 瓦尔达微电池有限责任公司 薄和柔性电化学电池
EP2846384A1 (de) * 2013-09-04 2015-03-11 VARTA Microbattery GmbH Dünne und flexible elektrochemische Zelle
WO2019141303A1 (de) * 2018-01-16 2019-07-25 Elfolion Gmbh Folienartiges funktionsmaterial und verfahren zu dessen herstellung
KR20200106943A (ko) * 2018-01-16 2020-09-15 엘포라이온 게엠베하 포일형 기능성 재료 및 그 제조 방법
CN111902971A (zh) * 2018-01-16 2020-11-06 埃尔福利翁有限公司 箔状功能材料及其制造方法
CN111902971B (zh) * 2018-01-16 2023-12-12 埃尔福利翁有限公司 箔状功能材料及其制造方法
US12170377B2 (en) 2018-01-16 2024-12-17 Elfolion Gmbh Foil-like functional material and method for the production therof
KR102781309B1 (ko) 2018-01-16 2025-03-17 엘포라이온 게엠베하 포일형 기능성 재료 및 그 제조 방법
DE102020122287A1 (de) 2020-08-26 2022-03-03 Audi Aktiengesellschaft Batteriezelle, Fahrzeugbatterie, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen eines Trägerelements für eine Elektrode einer Batteriezelle

Also Published As

Publication number Publication date
AU2002226172A1 (en) 2002-07-30
AT410860B (de) 2003-08-25
WO2002058172A3 (de) 2002-11-21
ATA942001A (de) 2002-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60312217T2 (de) Verbundwerkstoff und stromkollektor für eine batterie
EP1412995B1 (de) Mehrschichtige elektrode
DE3876166T2 (de) Sekundaerbatterie und verfahren zur herstellung derselben.
EP0725454B1 (de) Massenträger und Elektroden für galvanische Primär- und Sekondärelemente
EP3740981A1 (de) Folienartiges funktionsmaterial und verfahren zu dessen herstellung
DE69702680T2 (de) Verfahren zur Herstellung eines porösen Metallblechs mit ein Muster bildenden Poren
DE69414172T2 (de) Verfahren zum Verbinden eines metallischen Ableiters an eine Faser- oder Schaumgerüst als Trägerteil enthaltende Elektrode für einen elektrochemischen Generator und bei diesem Verfahren enthaltene Elektrode
DE1496352B2 (de) Akkumulatorelektrode aus einem geruest von parallel liegenden metallischen fasern
DE4206490A1 (de) Elektrisch leitfaehige gasverteilerstruktur fuer eine brennstoffzelle
DE1596240B2 (de) Elektrischer akkumulator mit elektroden, deren traeger aus einem gewebe oder filz aus fasermaterial bestehen
DE69509147T2 (de) Wartungsfreier aufladbarer elektrochemischer Generator mit wässrigem Elektrolyten
DE102018112642A1 (de) Lithium-Ionen-Zelle und Verfahren zu deren Herstellung
EP0406594A2 (de) Elektrode für elektrochemische Zellen
WO2002058172A2 (de) Elektrode einer lithium als aktives material enthaltenden elektrochemischen anordnung
DE3118450A1 (de) Elektrode fuer eine elektrochemische zelle
DE19838123C2 (de) Verfahren zum einseitigen Anschweißen einer Stromableiterfahne an ein Trägermaterial sowie ein Elektrodenplattenträgermaterial
EP3573141A1 (de) Lithiumanode und verfahren zu deren herstellung
DE19838122B4 (de) Trennwand bzw. Trennwände für Zellen in Akkumulatoren in Pile- oder Stapelbauweise und Zelle in Pile- oder Stapelbauweise
EP1738426B1 (de) Gitter für eine elektrode eines bleiakkumulators
DE102021211680B4 (de) Elektrode für eine Lithiumionenzelle, Lithiumionenzelle, Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Lithiumionenzelle
EP3573142A1 (de) Kathodenanordnung und verfahren zu deren herstellung
DE3134309C1 (de) Verbundelektrode fuer alkalische Akkumulatoren
EP2888779B1 (de) Elektrode für galvanische zelle
DE3043554A1 (de) Durchgehende poroese traghuelle fuer gitterplatten von bleiakkumulatoren und damit hergestellte positive gitterplatte
WO2023174657A1 (de) Verfahren zum herstellen einer elektrode für eine elektrochemische zelle, kompositelektrode und elektrochemische zelle

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ PL PT RO RU SD SE SG SI SK SL TJ TM TR TT TZ UA UG US UZ VN YU ZA ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
AK Designated states

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ PL PT RO RU SD SE SG SI SK SL TJ TM TR TT TZ UA UG US UZ VN YU ZA ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 090162002

Country of ref document: AT

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8642

122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP