DE102012004137A1

DE102012004137A1 - Verfahren zur Herstellung von Batterieelektroden, Beschichtung für eine Batterieelektrode sowie entsprechende Batterieelektrode

Info

Publication number: DE102012004137A1
Application number: DE201210004137
Authority: DE
Inventors: Alexander Börger; Ellen Ebner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-08-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine verbesserte, vorzugsweise plattenförmige Batterieelektrode, eine Beschichtung für eine Batterieelektrode und ein Verfahren zur Herstellung einer vorzugsweise plattenförmigen Batterieelektrode unter Verwendung der Beschichtung. Es ist vorgesehen, Batterieelektroden für Akkumulatoren (insbesondere Bleielektroden für Bleiakkumulatoren) aus Gitterelementen zu fertigen und die Gitterelemente mit einer pastösen, aktiven (insbesondere bleihaltigen) Masse zu versehen, wobei die mit der pastösen Masse versehenen Gitterelemente anschließend mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet werden. Es werden verbesserte Batterieelektroden für Batterien geschaffen, die einen geringeren Innenwiderstand aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte, vorzugsweise plattenförmige Batterieelektrode, eine Beschichtung für eine Batterieelektrode und ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode unter Verwendung der Beschichtung.
Wachsendes Verkehrsaufkommen, steigende Preise für Kraftstoff und strengere EU-Normen zur Luftreinhaltung und zur CO₂-Reduktion stellen neue Herausforderungen an die Fahrzeugindustrie. Einer der Wege, diesen Herausforderungen zu begegnen, ist die Verwendung von Start/Stopp-Systemen in Kraftfahrzeugen. Kraftfahrzeuge mit Start/Stopp-Systemen benötigen leistungsstarke Batterien.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Nassbatterien mit vorzugsweise ebenen und plattenförmigen Batterieelektroden. Solche Batterieelektroden weisen einen Rahmen aus einem Elektrodenmaterial sowie ein darin aus dem Elektrodenmaterial hergestelltes Gitter auf. Auf eine solche Gitter-Batterieelektrode wird eine pastöse, aktive Masse aufgebracht. Zur mechanischen Stabilisierung und um ein Abschwemmen der Masse in den Elektrolyten zu verhindern, wird der Rahmen und das Gitter der Batterieelektrode mit einem textilen, flächigen Material abgedeckt. Die Druckschrift WO 98/01914 A1 schlägt zur Abdeckung ein Glasfaservlies vor, welches jedoch den Nachteil hat, dass sich die pastöse, aktive Masse durch das Glasfaservlies hindurchquetschen kann. Zur Verbesserung schlägt die WO 2010/078939 A1 vor, ein textiles, flächiges Material aus Glasfasern und Fasern aus einem thermoplastischen Kunststoff zu verwenden, wobei der thermoplastische Kunststoff aus Polyesterfasern besteht.
Batterien, bei denen eine Batterieelektrode mit Polyesterfasern abgedeckt ist, werden als „EFB”-Batterie bezeichnet. „EFB” steht für „Enhanced Flooded Battery”. Dieser Typ Batterien wird häufig für Start/Stop-Fahrzeuge eingesetzt. Im Vergleich zu traditionellen Nassbatterien sind EFB-Batterien mit einem Polyester-Scrim und ferner dickeren Platten ausgestattet. Als „Scrim” werden auf die Batterieelektroden der EFB-Batterie aufgeschrumpfte Abdeckungen aus Polyesterfasern bezeichnet. Das Polyester-Scrim hält das aktive Material in dem Gitter der als Platte ausgebildeten Batterieelektrode fest. Dadurch ergibt sich für EFB-Batterien eine höhere Zyklenfestigkeit im Vergleich zu traditionellen Nassbatterien.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Batterieelektrode für eine leistungsstarke Batterie zu schaffen. Die in die Gittermaschen der plattenartigen Gitterelemente eingebrachten pastösen, aktiven Massen sollen weiterhin stabil angeordnet sein.
Erfindungsgemäß zeichnen sich die vorzugsweise plattenförmigen Batterieelektroden dadurch aus, dass sie ein Gitterelement umfassen, wobei in die Gittermaschen des Gitterelementes eine pastöse, aktive Masse eingefüllt ist, wobei die Gittermaschen und damit des pastöse, aktive Material erfindungsgemäß mit einem elektrisch leitfähigen Material und, nicht wie bisher, mit einem nicht leitfähigen Material beschichtet sind.
Dadurch wird erreicht, dass die pastöse, aktive Masse in den Gittermaschen des Gitterelementes weiterhin stabilisiert wird und der Innenwiderstand einer Batterie mit der erfindungsgemäßen Batterieelektrode reduziert wird, beziehungsweise der Innenwiderstand gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Nassbatterien geringer ist.
Die Erfindung vermeidet den Nachteil, dass die im Stand der Technik bei EFB-Batterien bekannte Abdeckung aus elektrisch nicht leitenden Polyesterfasern den Innenwiderstand der Batterie erhöht, da diese bekannte Abdeckung – der Scrim – aus einem nicht leitfähigen Material besteht. Die Leistung der erfindungsgemäßen Batterie wird demgegenüber erhöht und die Zyklenfestigkeit positiv beeinflusst.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mit der eingefüllten pastösen, aktiven Masse gefüllten und anschließend mit dem elektrisch leitfähigen Material beschichteten Gitterelemente der Batterieelektroden mit einem Separatormaterial, in der Art einer an sich bekannten Separatortasche, umhüllt sind. Diese Umhüllung besteht aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material, da die Separatortasche dafür sorgt, dass zwischen den nebeneinander liegenden Batterieelektroden kein Kurzschluss entsteht.
Als flächiges Beschichtungsmaterial zur Abdeckung der pastösen, aktiven Masse im Gitterelement der vorzugsweise ebenen und plattenförmigen Batterieelektrode wird in einer ersten Ausführungsvariante vorgeschlagen, einen elektrisch leitfähigen Kunststoff, insbesondere ein Polymer, oder in einer zweiten Ausführungsvariante vorgeschlagen, einen mit elektrisch leitfähigem Material versetzten, von sich aus nicht leitfähigen Kunststoff, insbesondere eine mit elektrisch leitfähigem Graphit versetzte, von sich aus nicht elektrisch leitfähige Glasfaser-Vliesauflage, zu verwenden.
Es ist bevorzugt vorgesehen, eine mit elektrisch leitfähigem Graphit versetzte, von sich aus nicht leitfähige Glasfaser-Vliesauflage und/oder eine mit elektrisch leitfähigen Graphitfäden versetzte, von sich aus nicht leitfähige Glasfaser-Vliesauflage zu verwenden.
Das zugehörige Verfahren zur Herstellung von Batterieelektroden für Akkumulatoren zeichnet sich dadurch aus, dass Gitterelemente aus Elektrodenmaterial, insbesondere Blei, gefertigt und mit einer pastösen, aktiven, insbesondere bleihaltigen Masse versehen werden, wonach die mit der pastösen Masse versehenen Gitterelemente anschließend mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die erfindungsgemäße Beschichtung einseitig oder beidseitig vorzunehmen. Aus Kostengründen ist gegebenenfalls eine einseitige Beschichtung ausreichend, um eine Stabilisierung der pastösen, aktiven Masse in den Gittermaschen der Gitterelemente zu bewirken. Es kommt auch bei einer einseitigen erfindungsgemäßen Beschichtung zur Reduzierung des Innenwiderstandes der Batterie. Es versteht sich, dass eine beidseitige Beschichtung zu einer noch stabileren Anordnung der pastösen, aktiven Masse in den Gittermaschen des Gitterelementes einer Batterieelektrode führt, weshalb die beidseitige Beschichtung bevorzugt wird. Durch die elektrische Leitfähigkeit der Beschichtung kommt es bei einer beidseitigen Beschichtung ebenfalls zu einer Reduzierung des Innenwiderstandes der Batterie.
Als elektrisch leitfähiges Beschichtungsmaterial wird in dem Herstellungsverfahren entweder der von sich aus elektrisch leitfähige Kunststoff (erstes Ausführungsbeispiel) oder der mit einem elektrisch leitfähigen Material versetzte, von sich aus nicht leitfähige Kunststoff (zweites Ausführungsbeispiel) verwendet. In beiden Ausführungsbeispielen liegt ein elektrisch leitfähiges Material vor, welches gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bevorzugt ein Polymer, und gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in einer anderen bevorzugten Ausgestaltung eine mit elektrisch leitfähigem Graphit und/oder elektrisch leitfähigen Graphitfäden versetzte Glasfaser-Vliesauflage ist.
Das Verfahren kann abschließen, indem die mit der pastösen, aktiven Masse und dem elektrisch leitfähigen Material beschichteten Gitterelemente einer Batterieelektrode mit einem elektrisch nicht leitfähigen Separatormaterial umhüllt werden.
Die Erfindung wird mittels der 1 anhand des zweiten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
1 zeigt eine Bleibatterie B mit einer perspektivischen Darstellung der positiven 3 und negativen 5 Baterieelektroden, die in negativen und positiven Plattensätzen 6, 7 zu einem Plattenblock 8 zusammengefasst werden. Die ebenen, plattenförmigen Batterieelektroden 3, 5 beinhalten jeweils einen Rahmen, der ein Gitter 1, 4 umspannt.
Das positive Gitter 1 und das negative Gitter 4 ist jeweils mit einer pastösen, aktiven, bleihaltigen Masse beschichtet. Durch die Beschichtung mit der pastösen, aktiven, bleihaltigen Masse und ein anschließendes Formieren ergibt sich eine positive Platte 2 einer positiven Batterieelektrode 3 und eine negative Platte 5 als negative Batterieelektrode.
Die positive Platte 2 der Batterieelektrode 3 wird wie folgt ausgestaltet. Der nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Aufbau der positiven Batterieelektrode 3 ist beispielhaft für eine negative Batterieelektrode 5. Die Beschreibung erfolgt nur anhand der positiven Batterieelektrode 3.
Im in 1 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist die positive Platte 2 der Batterieelektrode 3 mit einem von sich aus nicht elektrisch leitfähigen Vlies 2A beschichtet beziehungsweise abgedeckt, welches mit einem elektrisch leitfähigen Material versehen ist.
Als von sich aus nicht elektrisch leitfähiges Vliesmaterial werden beispielsweise Glasfasern als Gewebe oder Garngelege vorgeschlagen.
Durch die Beschichtung beziehungsweise die Abdeckung der pastösen, aktiven Masse kommt es zu einer mechanischen Stabilisierung der aktiven Masse in den Gittermaschen des positiven Gitters 1 der positiven Platte 2, wodurch ein Abschwemmen der aktiven Masse in den Elektrolyten der Batterie B verhindert wird. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, eine zyklenfeste Batterie B mit einer langen Haltbarkeit und einer erhöhten Leistung herzustellen, da der Innenwiderstand der Batterie B verringert wird, wodurch die Leistungserhöhung resultiert.
Als elektrisch leitfähiges Material wird Graphitpulver vorgeschlagen. Das elektrisch nicht leitfähige Material wird mit Graphitpulver versetzt, so dass das von sich aus nicht leitfähige Vlies 2A durch die Einbringung des Graphitpulvers elektrisch leitfähig wird. Die Vliesauflage 2A kann somit insgesamt als elektrisch leitfähiges Material eine Reduzierung des Innenwiderstandes bewirken und übernimmt dabei gleichzeitig die traditionelle Aufgabe bekannter Abdeckungen, nämlich der mechanischen Stabilisierung der pastösen, aktiven Masse des positiven Gitters 1.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, in dem von sich aus elektrisch nicht leitfähigen Vlies 2A Stromlaufbahnen 2B anzuordnen, die beispielsweise als elektrisch leitfähige in das Vlies 2A eingewebte Graphitfäden ausgebildet werden. Das Vlies 2A wird somit nicht nur mit Graphit versetzt, so dass es insgesamt leitfähig wird, sondern es werden vorzugsweise gitterartig Stromlaufbahnen 2B mittels Graphitfäden erzeugt und in des Vlies 2A eingebettet.
1 zeigt die positive Platte 2, die mit einem Vlies 2A abgedeckt ist, in dem aus elektrisch leitendem Graphit ausgebildete, sich kreuzende Stromlaufbahnen 2B angeordnet sind, insbesondere eingewebt sind.
Es versteht sich, dass eine Kombination denkbar ist. Das von sich aus elektrisch nicht leitende Vlies 2A kann durch Zusatz von Graphitpulver elektrisch leitfähig gemacht werden und zusätzlich können in dem Vlies 2A Stromlaufbahnen 2B aus Graphitfäden angeordnet werden. Hierdurch wird der Innenwiderstand der Batterie B auf ein Minimum reduziert.
Schließlich ist, wie in 1 ebenfalls dargestellt ist, die verbesserte Batterieelektrode 2, 2A, 2B der positiven Platte in an sich bekannter Weise mit einem mikroporösen Taschenseparator versehen. Diese mit der Separatortasche versehene positive Platte 2, 2A, 2B ist in 1 mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet.
In an sich bekannter Weise werden die so hergestellten positiven Batterieelektroden 3 zu positiven Plattensätzen 7 zusammengefasst. Die negativen Batterieelektroden 5 werden zu negativen Plattensätzen 6 zusammengefasst.
Zwei ineinander greifende Plattensätze 6, 7 bilden in an sich bekannter Weise den Plattenblock 8, in dem jeweils die positiven und negativen Platten 3, 5 gleicher Polarität miteinander verbunden sind. Mehrere Plattenblöcke 8 bilden die Batterie B.
Bezugszeichenliste

B: Batterie, insbesondere Bleibatterie
1: positives Gitter
2: positive Platte
2A: Vlies/Vliesauflage
2B: Graphit-Stromlaufbahnen
3: Batterieelektrode als positive Platte in Separatortasche
4: negatives Gitter
5: Batterieelektrode als negative Platte
6: negativer Plattensatz
7: positiver Plattensatz
8: Plattenblock

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 98/01914 A1 [0003]
WO 2010/078939 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Batterieelektroden (3, 5) für Akkumulatoren, wobei Gitterelemente (1, 4) aus Elektrodenmaterial, insbesondere Blei, gefertigt und mit einer pastösen, aktiven, insbesondere bleihaltigen, Masse versehen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der pastösen Masse versehenen Gitterelemente (1, 4) anschließend mit einem elektrisch leitfähigen Material (2A, 2B) beschichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitfähiges Beschichtungsmaterial ein von sich aus elektrisch leitfähiger Kunststoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Kunststoff ein Polymer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitfähiges Beschichtungsmaterial ein mit elektrisch leitfähigem Material versetzter, von sich aus nicht elektrisch leitfähiger Kunststoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit elektrisch leitfähigem Graphit versetzte, von sich aus nicht elektrisch leitfähige Glasfaser-Vliesauflage (2A) und/oder eine mit elektrisch leitfähigen Graphitfäden (2B) versetzte, von sich aus nicht elektrisch leitfähige Glasfaser-Vliesauflage (2A) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung einseitig oder beidseitig vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der pastösen, aktiven Masse und dem elektrisch leitfähigen Material (2A, 2B) beschichteten Gitterelemente (1, 4) mit einem nicht elektrisch leitfähigen Separatormaterial umhüllt werden.
Flächige Beschichtung zur Abdeckung einer pastösen, aktiven, insbesondere bleihaltigen Masse auf einer vorzugsweise ebenen und plattenförmigen Batterieelektrode, die ein Gitterelement (1, 4) aus einem Elektrodenmaterial, insbesondere Blei, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Beschichtung (2A, 2B) elektrisch leitfähig ist, insbesondere aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Beschichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beschichtung ein elektrisch leitfähiger Kunststoff, insbesondere ein Polymer oder ein mit elektrisch leitfähigem Material versetzter, von sich aus nicht elektrisch leitfähiger Kunststoff, insbesondere eine mit elektrisch leitfähigem Graphit versetzte, von sich aus nicht elektrisch leitfähige Glasfaser-Vliesauflage (2A) und/oder eine mit elektrisch leitfähigen Graphitfäden (2B) versetzte, von sich aus nicht elektrisch leitfähige Glasfaser-Vliesauflage (2A) ist.
Batterieelektrode (3, 5), insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend ein Gitterelement (1, 4), eine in die Gittermaschen des Gitterelementes (1, 4) eingefüllte pastöse, aktive Masse und eine flächige, elektrisch leitfähige Beschichtung (2A, 2B), insbesondere nach mindestens einem der Ansprüche 8 und/oder 9.
Batterieelektrode (3, 5) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der eingefüllten pastösen, aktiven Masse gefüllte Gitterelement (1, 4) an einer Fläche oder beiden Flächen mit der flächigen, elektrisch leitfähigen Beschichtung (2A, 2B), insbesondere nach mindestens einem der Ansprüche 8 und/oder 9, versehen und mit einem nicht elektrisch leitfähigen Separatormaterial, insbesondere in der Art einer Separatortasche, umhüllt ist.