CN103545557B - 用于制造储能器的方法和储能器 - Google Patents
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Abstract
用于制造储能器的方法和储能器。本发明涉及一种用于制造储能器（10）、尤其是锂离子电池的方法，包括下列方法步骤：a）提供阳极和阴极；b）探测所述阳极和/或所述阴极中的缺陷位置（18）；c）从所述阳极和/或所述阴极中以限于局部的方式除去缺陷位置（18）；以及d）将所述阳极和所述阴极与布置在它们之间的隔板进行叠层。通过本发明可以制造一种储能器（10），其中在该制造方法中可以显著减小或完全防止阳极材料或阴极材料处的瑕疵。本发明还涉及一种储能器（10）。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造储能器、尤其是用于制造锂离子电池的方法。本发明还涉及一种储能器、尤其是锂离子电池。
背景技术
储能器、譬如锂离子电池是公知的和广泛传播的。其尤其是提供非常高的能量密度的优点。这样的储能器基本上包括阴极、阳极、布置在阳极与阴极之间的隔板、以及布置在阳极与阴极之间的电解质。
在此公知的是，储能器譬如通过堆叠或者通过将阳极和阴极与布置在它们之间的隔板或电解质卷到一起来构成。阳极和阴极因此被电解质层或隔板层在空间上彼此分开或隔开。
因此，储能器常常通过将多个阳极层以及阴极层的叠层来构成。在此，为了保证无故障的运行，可能有利的是，基本上无缺陷地构造阳极层以及阴极层。
发明内容
本发明的主题是一种用于制造储能器、尤其是锂离子电池的方法，包括下列方法步骤：
a）提供阳极和阴极；
b）探测阳极和/或阴极中的缺陷位置；
c）从阳极和/或阴极中以限于局部的方式除去缺陷位置；以及
d）将阳极和阴极与布置在它们之间的隔板进行叠层。
在本发明的意义上，尤其是可以将储能器既理解成一次电池也可以理解成二次电池。因此，尤其是可以将储能器理解成可再充电的蓄电池。
另外在本发明的范围内，可以将锂离子电池理解成至少部分基于锂的电池，其中尤其是可以将术语“电池”理解成可再充电的蓄电池。在此，尤其是可以将基于锂的电池理解成在充电或放电周期的电化学过程中使用锂或锂离子的电池。例如可以将锂硫电池称为锂离子电池。
另外，在本发明的意义上，可以将缺陷位置理解成阳极和/或阴极的位置或限于局部的区域，该位置或区域不是按所期望的那样构造的，而是具有缺陷。因此，这样的缺陷位置可以示例性地包括气泡、杂质（譬如由于金属切屑、或者碳和/或其他材料的聚集）。缺陷位置可能尤其是在譬如金属膜的涂层期间例如由于阳极或阴极的制造方法中的不想要的影响或差错而产生。
通过本方法可以制造储能器，其中在所述制造方法中可以显著地降低或完全防止阳极材料处或阴极材料处的瑕疵。
这尤其是可以通过下列步骤来实现。在第一方法步骤a）中，提供阳极和阴极。在此，阳极和阴极原则上可以以本身公知的方式被构造为适用于相应储能器。例如，相应电极可以具有电流导体，在其上施加包括活性材料的层。
在锂离子电池的纯粹示例性的情况下，阳极譬如可以被构造成金属锂阳极，或者譬如包括石墨，在所述石墨中可以注入锂离子，而阴极、譬如在锂硫电池的情况下可以具有由铝制成的电流导体，在所述电流导体上布置粘合剂中或导电添加物中的硫。粘合剂例如可以是N-甲基吡咯烷酮（NMP）。另外，导电添加物例如可以包括炭黑或石墨，以便实现阴极活性材料中的足够电导率。
但是在此，阳极和阴极不限于前述示例，而是可以以对于本领域技术人员能够理解的方式根据要制造的储能器来选择。
在另一方法步骤b）中，探测阳极和/或阴极中的缺陷位置。在该方法步骤中，因此对阳极或阴极检查：其是否完全像所期望的那样构造的，或者是否存在缺陷位置。尤其是对阳极或阴极检查：在阳极或阴极的每个位置处是否存在所期望的材料组成，或者是否存在例如金属切屑、气泡或单种材料或多种不同材料的聚集。
对于存在这样的缺陷位置的情况，所制造的储能器由于阳极或阴极的改变的结构以及由此改变的电化学特性而可能造成故障，或者可能出现故障。由此可能出现的风险是，利用这样制造的储能器运行的电组件可能被损伤或损坏。尤其是缺陷位置、比如金属切屑或者“尖锐的”材料堆积可能紧接着或者在一定运行时长以后、也即在一定数目的充电或放电周期以后穿透隔板，这可能导致电短路或在极端情况下导致电池损坏。
由于为了构造储能器尤其是需要大的无故障的阳极区域或阴极区域，因此在制造工艺中常常由于小的缺陷而不使用大的阳极件或阴极件。更确切地说，根据现有技术，为了防止制造具有缺陷位置的储能器以及由此所制造的储能器的发生故障的风险，由储能器的制造工艺将包括缺陷位置的阳极材料或阴极材料作为大面积瑕疵除去。
为了减少或完全防止这样的瑕疵，根据储能器的前述制造方法，在方法步骤c）中，限于局部地从阳极和/或阴极除去缺陷位置。换言之，从阳极材料或阴极材料中除去阳极或阴极的这样的位置或处所，使得该材料或者阳极或阴极在后面不再具有缺陷位置。在此，限于局部地除去缺陷位置尤其可以指，仅仅除去缺陷位置或受损区域，其中缺陷位置周围的材料基本上保持不受损害并且可以被继续使用。
因此，除去缺陷位置由于限于局部而仅仅导致这样的储能器的容量或储存容量的轻微减小，但是这原则上由于这样的缺陷位置的小的空间伸展而可以忽略。另外，这样的储能器的充电或放电行为基本上不受负面影响，因为仅仅缺陷位置被除去，但是另外的阳极材料或阴极材料不变地可用于电化学反应。在此，尽管缺陷位置可以以对于本领域技术人员可理解的方式直接被除去，但是其中一定的剩余可能是有利的。例如，譬如除去的剩余可以被选为大于或等于1mm至小于或等于5mm的量。如前述那样制造的储能器的运行能力因此未受负面影响，或者负面影响可以基本上被忽略。但是在此，制造成本显著降低，因为阳极材料或阴极材料基本上被完全使用或消耗在储能器中，而不需要作为瑕疵被消灭。
因此，不出现这样的阳极或阴极的瑕疵，而是材料被继续使用，其中仅仅除去阳极材料或阴极材料的配有缺陷位置的区域。
在已经从阳极或阴极除去缺陷位置以后，在前述方法中根据方法步骤d）将阳极和阴极与布置在它们之间的隔板进行叠层。另外，尤其是可以以本身公知的方式设置电解质，该电解质布置在电极之间。该电解质例如可以被构造为凝胶状的并且譬如布置或吸收在隔板中。在该方法步骤中，储能器因此基本上被制成。
在此，隔板例如和对于锂离子电池的纯粹示例性的情况可以包括譬如微孔膜或无纺材料或可以由所述微孔膜或无纺材料制成。此外，电解质可以是固体电解质或者液体电解质。作为示例，同样可以对于锂离子电池的示例性和非限制性的情况，作为电解质使用环乙醚、非环乙醚及其组合作为溶剂和/或使用双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）作为导电盐。
前述方法因此允许以简单和低成本的方式在储能器的制造方法的范围中从阳极材料或阴极材料中除去缺陷位置。由此，储能器的该制造方法可以是特别低成本的，因为可以避免大面积的瑕疵，而且更确切地说仅仅将缺陷位置从电极材料中除去。
在扩展方案的范围内，阳极、阴极和隔板可以被构造为膜状的。尤其是在使用膜状电极材料的情况下，缺陷由于制造工艺可能常常导致大面积瑕疵，由此尤其是在这样的材料情况下根据本发明的方法可能是有利的。在此，在本发明的意义上，尤其是可以将膜状构造理解成如下的构造：在该构造的情况下，阳极或阴极相对于其厚度具有大的宽度或长度。此外，膜状构造的特征尤其可以在于，其不是刚性的，而是尤其是可以非弹性变型或弯曲的。在此，阳极可以被构造成铜膜，并且譬如具有大于或等于5μm至小于或等于30μm范围中的厚度、例如12μm的厚度，并且在两侧都用厚度譬如在大于或等于30μm至小于或等于75μm范围中、例如53μm的活性材料镀层。另外，阴极可以被构造成铝膜并且譬如具有大于或等于10μm至小于或等于35μm范围中、例如15μm的厚度，并且在两侧都用厚度譬如在大于或等于40μm至小于或等于80μm范围中、例如59μm的活性材料镀层。在这些膜层之间可以布置膜状隔板、例如聚合物隔板，在所述隔板中例如吸收电解质。
在另一扩展方案的范围内，缺陷位置的除去可以在应用激光器的情况下实现。尤其是在使用激光器的情况下，可以高度精确地除去缺陷位置，其中阳极材料或阴极材料的除去尤其是可以在使用激光器的情况下在空间上或局部地限于缺陷位置或周围环境，但是扁平的瑕疵不是必然的。此外，激光器在如今可容易和可靠地应用，这在该扩展方案中特别简单地构造该方法。另外，激光器适于可以尤其是基于计算机以及由此至少部分或尤其是完全自动化地执行该方法。
在此，缺陷位置的除去可以通过激光切割工艺和/或基于激光地刻蚀缺陷位置来实现。在此，激光切割工艺可以用于从膜中完全或完整地切割出缺陷位置或缺陷位置的区域。在此，例如阳极或阴极的有缺陷的区域可以以其整个厚度被切割出或分离出，也即将金属膜或载体膜与有缺陷的涂层一起切割出或分离出。在该扩展方案中，该方法可以是特别简单和快速的，这允许制造储能器时的高吞吐量。在此，合适的工艺参数譬如包括：在利用例如大于或等于5μm至小于或等于40μm、例如10μm或34μm的示例性光斑直径的譬如400W的持续功率情况下，激光束的波长例如大于或等于1000nm至小于或等于1100nm、例如为1070nm；或者在使用脉冲激光束的情况下在脉冲长度譬如大于或等于150ns至小于或等于300ns、例如为220ns以及功率为20W和重复率为35Hz时，具有激光束的例如大于或等于1000nm至小于或等于1100nm、例如为1064nm的波长。在此，前述参数是纯粹示例性的，而不是限制性的，并且可以根据切割质量来匹配。
另外，基于激光的刻蚀可以用于将阳极或阴极不以其整个厚度分离开，而是仅仅空间上受限地除去与缺陷位置或未以希望方式构造的材料相对应的厚度。由此，阳极或阴极在缺陷区域中在除去后者以后也可以不被完全除去，而是仅仅具有减小的厚度。此外，基于激光的对缺陷位置的刻蚀尤其可以是特别精确的，使得仅仅需要分离出或刻蚀材料的最小量的空间伸展。在此方面，比前述方法显著更低的激光强度就足够了，并且可以根据缺陷位置来选择。
在另一扩展方案的范围内，储能器可以在生成堆叠单元或卷绕单元的情况下构成。尤其是在堆叠单元或卷染单元的情况下，常常需要非常大空间区域的无故障的阳极材料或阴极材料。在此，前述方法尤其是在制造被构造成堆叠单元或卷染单元的储能器时是有利的，以便在此避免大的瑕疵并且由此使该方法可以特别低成本地实现。在此，堆叠单元在本发明的意义上尤其是可以指多个具有布置在其间的隔板层或电解质层的阳极层和阴极层。另外在本发明的意义上，卷绕单元可以是如下单元：在所述单元的情况下，阳极、隔板和阴极的彼此层叠的布置被卷起，由此同样构造具有多个相叠布置的阳极层、阴极层、电解质层和隔板层的系统。
在另一扩展方案的范围内，可以在使用光学方法的情况下检查阳极和/或阴极的缺陷位置。在此，可以示例性地将光学方法理解成使用相机或者使用反射方法，例如在使用亮或暗视场中的灰度-视场-分析的情况下。在此，相机的使用可以是特别简单和低成本的，而使用反射方法、例如亮或暗视场中的灰度-视场-分析可以是特别精确和可高度缩放的。在后一种方法中，尤其是可以通过譬如要测量的膜的轨道宽度来测量反射的强度，其中故障位置或缺陷位置可以以减小或提高的反射强度来探测。
关于根据本发明的用于制造储能器的方法的其他优点和技术特征特此明确地参阅结合根据本发明的储能器对附图以及附图描述的阐述。
另外，本发明的主题是一种根据如前述那样构造的用于制造储能器的方法制造的储能器、尤其是锂离子电池，其中尤其是在使用激光器的情况下限于局部地除去阳极和/或阴极的缺陷位置。
这样的储能器可以特别可靠地运行，因为在阳极材料或阴极材料中不存在缺陷位置。在此，这样的储能器还可以特别低成本地来制造，因为可以放弃大面积的瑕疵，而大面积的瑕疵在现有技术中由于缺陷位置而又常常是必然的。此外，可以因此节省资源，这保护了环境。
在扩展方案的范围内，该储能器可以具有堆叠单元或卷绕单元。尤其是在堆叠单元或卷绕单元的情况下，常常需要非常大空间区域的无故障的阳极材料或阴极材料。在此，尤其是该扩展方案中的储能器是有利的，以便在此避免大的瑕疵并且由此使相应的制造方法可以特别低成本地实现。另外，堆叠单元或卷绕单元尤其是常常提供大的能量含量或大的容量。
关于根据本发明的储能器的其他优点和技术特征，特此明确地参阅结合根据本发明的用于制造储能器的方法对附图以及附图描述的阐述。
附图说明
根据本发明的主题的其他优点和有利的扩展方案通过附图来说明并且在下面的描述中来阐述。在此，应当注意，附图仅仅具有描述特性并且不应被认为以任何形式限制本发明。附图：
图1示出了在根据本发明的方法的启示下根据本发明制造的储能器的示意图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了根据本发明的储能器10，其是按照根据本发明的方法制造的。这样的储能器10例如可以是锂离子电池。这样的储能器10的可能应用领域示例性地包括电动车辆或混合动力车辆、电子工具、计算机和/或电信设备或静止储能系统、如用于家庭或设备的高能储能系统。
储能器10根据图1尤其是包括堆叠单元并且作为所述堆叠单元包括多个尤其是膜状构造的阳极层12、阴极层14以及布置在它们之间的隔板层16。附加于隔板层16，以对于本领域技术人员可理解的方式在阳极层12与阴极层14之间布置电解质。
在图1中还示意性示出了根据本发明的用于这样的储能器10的制造方法。
根据用于制造图1所示的储能器10的方法，首先提供阳极12和阴极14。然后检查所述阳极和阴极的缺陷位置18，并且因此探测到阳极和或阴极中的缺陷位置18。这譬如可以在使用光学探测方法的情况下来实现。这样的缺陷位置18在图1中同样示出，其中缺陷位置18根据图1纯粹示例性地布置在阳极12中。
在阳极中探测到缺陷位置18以后，从阳极中除去该缺陷位置，这如通过箭头20表明的那样。在此，除去缺陷位置18可以在应用激光器的情况下实现。具体而言，除去缺陷位置18可以通过激光切割工艺和/或基于激光对缺陷位置的刻蚀来实现。在此，在图1中示出了激光切割工艺，利用该激光切割工艺切割出围绕缺陷位置18的区域，由此可以除去阳极层12的包括缺陷位置18的区域。由此，在缺陷位置18的位置处留下凹陷22，这如在图1中的储能器10的阴极层14中示例性示出的那样。
在除去尤其是全部缺陷位置18以后，可以为了制造储能器10将阳极层12和阴极14与布置在它们之间的隔板层16或电解质进行叠层。
Claims (11)
1.一种用于制造储能器（10）的方法，包括下列方法步骤：
a）提供阳极和阴极；
b）探测所述阳极和/或所述阴极中的缺陷位置（18）；
c）从所述阳极和/或所述阴极中以限于局部的方式除去与缺陷位置（18）相对应的厚度；以及
d）将所述阳极和所述阴极与布置在它们之间的隔板进行叠层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述阳极、所述阴极和所述隔板被构造为膜状的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中缺陷位置（18）的除去在应用激光器的情况下实现。
4.根据权利要求3所述的方法，其中缺陷位置（18）的除去通过激光切割工艺和/或基于激光地刻蚀缺陷位置（18）来实现。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中储能器（10）在生成堆叠单元或卷绕单元的情况下构成。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中在使用光学方法的情况下检查所述阳极和/或所述阴极的缺陷位置（18）。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法用于制造锂离子电池。
8.一种按照根据权利要求1至6之一所述的方法制造的储能器（10），其中限于局部地除去与阳极和/或阴极的缺陷位置（18）相对应的厚度。
9.根据权利要求8所述的储能器，其中所述储能器（10）是锂离子电池。
10.根据权利要求8或9所述的储能器，其中缺陷位置（18）的除去在使用激光器的情况下实现。
11.根据权利要求8或9所述的储能器，其中所述储能器（10）具有堆叠单元或卷绕单元。
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