CN107871893A

CN107871893A - 用于制造用于电池单池的电极堆叠的方法和电池单池

Info

Publication number: CN107871893A
Application number: CN201710881145.0A
Authority: CN
Inventors: D.索尔泰格; J.普罗伊尔; T.朱伊斯特; T.克雷特施马
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2018-04-03
Anticipated expiration: 2037-09-26
Also published as: DE102016218494A1; EP3300141B1; CN107871893B; EP3300141A1

Abstract

本发明涉及一种用于制造用于电池单池的电极堆叠的方法，所述方法包括下述步骤：提供带形的阳极元件，所述阳极元件包括阳极的电流引导体，在所述阳极的电流引导体上安设着阳极的活性材料；提供带形的阴极元件，所述阴极元件包括阴极的电流引导体，在所述阴极的电流引导体上安设着阴极的活性材料；提供带形的分离器元件；通过将分离器元件安设到阳极元件上来产生带形的复合元件；将复合元件切割为板状的复合节段；以及将阴极元件切割为板状的阴极节段；以下述方式堆叠节段，使得复合节段和阴极节段交替地布置。本发明也涉及一种电池单池，所述电池单池包括按照根据本发明的方法来制造的至少一个电极堆叠。

Description

用于制造用于电池单池的电极堆叠的方法和电池单池

技术领域

本发明涉及一种用于通过节段的堆叠来制造用于电池单池的电极堆叠的方法。本发明也涉及一种电池单池，所述电池单池具有按照根据本发明的方法来制造的电极堆叠。

背景技术

电能能够借助电池储存。电池将化学的反应能转化为电能。在此，初级电池和次级电池是不同的。初级电池仅一次功能有效，而也被称为蓄电池的次级电池能够再次充电。在蓄电池中尤其使用所谓的锂离子电池单池。所述锂离子电池单池的特征尤其在于高的能量密度、热稳定性和极小的自放电。

锂离子电池单池具有也被称为阴极的正的电极和也被称为阳极的负的电极。阴极以及阳极包括各一个电流引导体，活性材料被安设到所述电流引导体上。电池单池的电极被构造成膜形并且在中间间隔有分离器的情况下例如堆叠成电极堆叠，所述分离器将阳极与阴极分开。所述电极也能够盘绕成电极绕组或者以其它的方式形成电极单元。

电极单元的两个电极与电池单池的极进行电连接，该极也被称为端子。电极和分离器被通常液态的电解质包围。所述电池单池还具有单池壳体，该电池壳体例如由铝制成。所述单池壳体通常棱柱形、尤其方形地造型并且抗压地构造。当然其它的壳体形状、例如圆柱形也或者柔性的袋式单池也是已知的。

在发展新的电池单池时的主要的追求是，提高在单池中的电化学的可用体积。电极堆叠已经表明作为用于最大化可用体积的电极单元的最合适的结构形式，因为电极堆叠不仅能够理想棱柱形地制造也能够以任意的其它的几何形状制造。

板状的电极的并且尤其板状的分离器的操作是复杂的。这一点导致在将电极和分离器堆叠为电极堆叠时的相对高的工艺时间。

从US 4283469已知具有电极单元的电池单池。电极单元的阴极和分离器在此联合成为整合的结构。制造所述分离器的材料在此是氧化铝（Al₂O₃）。

在WO 2013/107911 A1中公开了用于锂离子电池的分离器以及相应的制造方法。制造所述分离器的材料在此包括嵌段共聚物（Blockcopolymer）和氧化铝或者氢氧化铝。

从EP 2 830 125 A1已知用于电化学的单池的分离器和用于其制造的方法。所述分离器在此包括多孔的层，所述层包括至少一个有机的接合剂和至少一个功能化的氢氧化氧化铝（Aluminiumoxidhydroxid）。

US 2010/0183907 A1公开了一种用于电池的分离器，该分离器由来自陶瓷的硬的间距保持件形成。在此，所述间距保持件加入到微孔的膜片中。

从US 6,153,337已知用于电化学的单池的分离器。所述分离器包括来自假勃姆石（Pseudo-Böhmit）的微孔的层。在此，所述层包括具有在1 nm和300 nm之间的平均直径的孔。

US 6,723,467 B2同样公开了一种用于电池的分离器。所述分离器在此包括包含热塑性的材料的多孔的层和具有更高的耐热性的另外的多孔的层。

发明内容

本发明提出一种用于制造用于电池单池的电极堆叠的方法。所述方法在此至少包括下述列举的步骤。

首先提供带形的阳极元件，所述阳极元件包括阳极的电流引导体（Stromableiter），在所述阳极的电流引导体上安设着阳极的活性材料。同样提供带形的阴极元件，所述阴极元件包括阴极的电流引导体，在所述阴极的电流引导体上安设着阴极的活性材料。此外提供带形的分离器元件。

阳极元件、阴极元件和分离器元件当前扁平地并且带形地构造。就此而论这意味着，所述元件在纵向方向上的延展与所述元件在横向方向上的延展相比大得多，尤其所述元件在纵向方向上的延展是所述元件在横向方向上的延展的至少十倍，该横向方向垂直于纵向方向取向。

此后通过将分离器元件安设到阳极元件上来产生带形的复合元件。所述分离器元件在此优选完全地遮覆阳极的活性材料。仅所述阳极的电流引导体部分地侧向地延伸超过所述分离器元件。

所述分离器元件尤其以浆为形式存在并且具有0. 2 μm至100 μm，优选0. 2 μm至30 μm，然而尤其1 μm至20 μm的厚度。在此分别指的是在干燥之后的厚度。在涂覆之后并且在干燥之前的层厚依赖于NMP与PVDF的比例，也就是依赖于浆的粘性。

接下来，实现将复合元件切割为板状的复合节段，以及将阴极元件切割为板状的阴极节段。这种操作也被称为“分隔”。

所述复合节段和阴极节段当前扁平地并且板状地构造。就此而论这意味着，所述节段沿着纵向方向的延展与所述节段沿着横向方向的延展近似相同，尤其所述节段沿着纵向方向的延展是所述节段沿着横向方向的延展的至少一半并且至多两倍。

然后，以下述方式进行之前所产生的节段的堆叠，使得复合节段和阴极节段交替地布置。通过堆叠足够数量的节段，产生了用于所述电池单池的电极堆叠。

按照本发明的一个有利的设计方案，首先将复合元件切割为复合节段，并且首先将所述阴极元件切割为阴极节段。接下来交替地彼此堆叠这样所产生的复合节段和阴极节段。由此在所述电极堆叠中，除了相应外部布置的节段以外，每个复合节段由两个阴极节段包围，并且每个阴极节段由两个复合节段包围。

按照本发明的另一个有利的设计方案，首先将所述阴极元件安设到所述复合元件上。将所述阴极元件和所述复合元件然后共同地在相同的工作过程中切割为板状的堆叠节段。这样所产生的堆叠节段包括各一个复合节段和阴极节段。接下来彼此堆叠这样所产生的堆叠节段。在此以下述方式彼此堆叠所述堆叠节段，使得在电极堆叠中除了相应外部布置的节段以外，每个复合节段由两个阴极节段包围，并且每个阴极节段由两个复合节段包围。

优选地，所述阳极的活性材料安设到所述阳极的电流引导体的两面上。所述阳极的电流引导体例如由铜制成。同样优选地，所述阴极的活性材料安设到所述阴极的电流引导体的两面上。所述阴极的电流引导体例如由铝制成。

有利地，在阳极元件的两面上安设各一个分离器元件。在此，所述分离器元件优选在两面完全地遮覆所述阳极的活性材料。仅所述阳极的电流引导体部分地在两面侧向地延伸超过所述分离器元件。所述分离器元件例如由氧化物陶瓷浆（Oxidkeramik-Schlicker）或者由具有PE分离器/PP分离器的氧化物陶瓷浆构成。

按照本发明的一个有利的设计方案，所述分离器元件利用氧化层涂覆。所述氧化层在此优选包含氧化铝（Al₂O₃）。

按照本发明的一个其它的有利的设计方案，所述氧化层表示为分离器元件并且优选不具有聚烯烃载体。

按照本发明的另一个有利的设计方案，在产生带形的复合元件时，将氧化层安设到阳极元件上。常规的基于聚烯烃的基础载体（PE膜，PP膜或者PE/PP/PE膜）的采用在此被完全省去。所述氧化层在此作为能够浇注的浆或者泥安设到所述阳极材料上并且例如包含Al₂O₃或者勃姆石（Böhmit）或者其它的惰性的并且不导电的氧化物陶瓷、例如ZrO₂、n-甲基2-吡咯烷酮（NMP），用于调节孔隙率的n-丁醇，PVDF或者PVDF-HFP，或另外的聚合物、尤其是嵌段共聚物，以用于不含聚烯烃的分离器的柔性的和机械稳定的造型。

按照本发明的另一个有利的设计方案，在产生带形的复合元件时，将氧化层安设到阳极元件和分离器元件之间。所述氧化层在此优选包含氧化铝（Al₂O₃）。

在此，将所述氧化层优选在潮湿的状态中安设到所述阳极元件上。

在所加入的氧化层干燥之前，优选将所述分离器元件安设到所述阳极元件和氧化层上。

本发明也提出一种电池单池，所述电池单池包括按照根据本发明的方法来制造的至少一个电极堆叠。

根据本发明的电池单池有利地使用在电动车辆（EV）、混合动力车辆（HEV）、插电式混合动力车辆（PHEV）或者消费电子产品中。将消费电子产品尤其理解为移动电话、平板电脑或者笔记本电脑。

发明优点

根据本发明的方法允许减小在将电极和分离器堆叠成为电极堆叠时的必要的工艺时间。根据本发明将分离器在堆叠时与阳极牢固地相连接。由此不需要单独的分离器膜的堆叠，所述分离器膜相对薄和柔韧。同样，不需要分离器膜的单独的分隔，从而节省了另外的工作程序。

此外，通过根据本发明的方法省去了定位公差，该定位公差通过将阳极和分离器膜单独地堆叠成为电极堆叠会被得到。甚至这样的阳极和分离器膜的机械式的堆叠被限制在精确性中，从而得到了机器能力并且稍后得到了工序能力。为了将阳极、分离器和阴极之间的搭接在电化学的功能性的意义中尽可能小地保持并且获得所述电池单池的最大的体积利用，有利的是，将所述分离器例如通过涂覆安设到所述阳极的两面上。通过这种由工艺决定的固定，在堆叠工艺中简化了阳极节段/分离器节段以及阴极的接下来的操作（工艺鲁棒性）。本发明的另一个的优点通过利用例如Al₂O₃来涂覆阳极材料来得到。在将阳极节段/分离器节段与阴极堆叠时，将所述阳极节段/分离器节段与阴极堆叠以下述方式彼此定向，使得所述端子（伸出的Al旗片和Cu旗片）彼此定向并且这些端子的棱边位于一列中。通过这样的节段与阴极的多次的堆叠，在各个Al旗片和Cu旗片之间产生了高度差。对于Al旗片和Cu旗片的后续的彼此的接触工艺来说，例如采用焊接工艺。为此，所述Al旗片或者Cu旗片必须以相应的高度差为幅度来压合。在此可能出现的是，分别按照阴极的和阳极的活性材料到Al电流引导体和Cu电流引导体上的涂覆的设计和准确性，Al旗片接触阳极的活性材料和/或Cu膜，这可能导致经加速的老化效应和/或单池失效。所述氧化的和惰性的分离器材料由此同时用作棱边涂层（“edge coating”）并且由此提高电池单池的寿命、安全性和可靠性。本发明的另一个的优点是在所说明的实施方式之一中省去基于聚烯烃（PE、PP）的基础载体。由此得到了电池单池的更高的热稳定性，伴随着单池的经改善的安全性（在热作用中的经减小的分离器收缩，由此在损坏情况中阳极和阴极接触的经减小的概率和由此短路——伴随着热逃逸（“thermal runaway”）——的经减小的概率）。

附图说明

借助于附图和下述说明更加详细地阐释本发明的实施方式。附图中：

图1示出了电池单池的示意图；

图2示出了用于制造按照第一实施变体方案的电极堆叠的步骤；

图3示出了用于制造按照第二实施变体方案的电极堆叠的步骤；

图4示出了堆叠节段的示意剖视图；并且

图5示出了加入氧化层的示意图。

具体实施方式

在对本发明的实施方式的下述说明中，相同的或类似的元件用相同的附图标记标注，其中，在个别情况下省去了对这些元件的重复说明。所述附图仅示意地示出了本发明的主题。

图1示出了电池单池2的示意图。电池单池2包括壳体3，所述壳体构造成棱柱形，当前构造成方形。壳体3当前被设计成导电的并且例如由铝制成。

电池单池2包括负的端子11和正的端子12。通过端子11、12能够取用由电池单池2提供的电压。电池单池2此外也能够通过端子11、12充电。

在所述电池单池2的壳体3内布置着电极单元，该电极单元当前构造为电极堆叠10。电极堆叠10具有两个电极，也即阳极21和阴极22。阳极21和阴极22分别构造成膜式并且分别通过分离器18彼此分离。分离器18能够传导离子，也即对于锂离子来说可穿透。

阳极21包括阳极的活性材料41和阳极的电流引导体31。阳极的电流引导体31能够导电地构造并且由金属、例如由铜制成。所述阳极的电流引导体31与所述电池单池2的负的端子11电连接。

所述阴极22包括阴极的活性材料42和阴极的电流引导体32。所述阴极的电流引导体32能够导电地构造并且由金属、例如由铝制成。所述阴极的电流引导体32与所述电池单池2的正的端子12电连接。

在图2中示出了用于制造按照第一实施变体方案的电极堆叠10的步骤。

首先正如在分图a）中所示那样，提供带形的阳极元件45，该阳极元件包括阳极的电流引导体31，在所述阳极的电流引导体上安设着阳极的活性材料41。所述阳极的活性材料41安设到阳极的电流引导体31的两面上。

接下来，正如在分图b）中所示那样，将带形的或者经浇注的分离器元件16以下述方式安设到所述阳极元件45上，使得所述阳极的活性材料41完全被遮覆并且仅所述阳极的电流引导体31部分向外伸出。在此，在阳极元件45的两面上安设各一个分离器元件16。由此产生了复合元件50。

所产生的复合元件50接下来正如在分图c）中所示那样沿着纵向方向在中部被切穿。由此产生了两个相同类型的复合元件50，在所述复合元件中，阳极的电流引导体31仅在一个侧面上沿着横向方向部分地在分离器元件16的下方向外伸出。

此后正如在分图d）中所示那样，复合元件50的向外伸出的阳极的电流引导体31以下述方式被切割，使得产生所述阳极21的多个接触旗片35。此外，复合元件50多次沿着横向方向以下述方式被切割，使得产生多个板状的复合节段52。每个复合节段52包括分离器18的两个层。

也提供带形的阴极元件46，该阴极元件包括阴极的电流引导体32，在所述阴极的电流引导体上安设着阴极的活性材料42。所述阴极的活性材料42安设到阴极的电流引导体32的两面上。

在此正如在分图e）中所示那样，阴极元件46的向外伸出的阴极的电流引导体32以下述方式被切割，使得产生所述阴极22的多个接触旗片36。此外，阴极元件46多次沿着横向方向以下述方式被切割，使得产生多个板状的阴极节段56。

接下来正如在分图f）中所示那样，复合节段52和阴极节段56交替地堆叠成为电极堆叠10。复合节段52以下述方式布置，使得阳极21的接触旗片35对齐。阴极节段56以下述方式布置，使得阴极22的接触旗片36对齐。在此，阳极21的接触旗片35与阴极22的接触旗片36偏置地定位。

随后阳极21的接触旗片35彼此电连接并且与所述电池单池2的负的端子11电连接。同样，随后所述阴极22的接触旗片36彼此电连接并且与所述电池单池2的正的端子12电连接。

在图3中示出了用于制造按照第二实施变体方案的电极堆叠10的步骤。

接下来正如在分图b）中所示那样，将带形的分离器元件16以下述方式安设到所述阳极元件45上，使得所述阳极的活性材料41完全被遮覆并且仅所述阳极的电流引导体31部分向外伸出。在此，在阳极元件45的两面上安设各一个分离器元件16。由此产生了复合元件50。

复合元件50的向外伸出的阳极的电流引导体31以下述方式被切割，使得产生所述阳极21的多个接触旗片35。同样，阴极元件46的向外伸出的阴极的电流引导体32以下述方式被切割，使得产生所述阴极22的多个接触旗片36。

接下来正如在分图d）中所示那样，将所述阴极元件46安设到所述复合元件50上。阴极元件46和复合元件50在此以下述方式定向，使得所述阳极21的接触旗片35与所述阴极22的接触旗片36偏置地定位。

在分图e）中示意性示出的是，如何将阴极元件46安设到、尤其叠设到所述复合元件50上。此外，在所述叠设之后，将阴极元件46和复合元件50共同地切割为板状的堆叠节段58。这样所产生的堆叠节段58中的每个包括各一个复合节段52和阴极节段56，正如图2所说明的那样。每个堆叠节段58由此包括分离器18的两个层。

此后，这样所产生的堆叠节段58彼此堆叠成为电极堆叠10。在此所述堆叠节段58以下述方式彼此堆叠，使得在电极堆叠10中除了相应外部布置的节段以外，每个复合节段52由两个阴极节段56包围，并且每个阴极节段56由两个复合节段52包围。

图4示出了堆叠节段58的示意性剖面图。所述堆叠节段58具有复合节段52和阴极节段56。

阴极节段56包括阴极的电流引导体32，在所述阴极的电流引导体的两面上安设着阴极的活性材料42。阴极的电流引导体32的一部分作为所述阴极22的接触旗片36侧向地从所述阴极节段56中向外伸出。

复合节段52包括阳极的电流引导体31，在所述阳极的电流引导体的两面上安设着阳极的活性材料41。阳极的电流引导体31的一部分作为所述阳极21的接触旗片35侧向地从所述复合节段52中向外伸出。此外在所述阳极的活性材料41上安设着所述分离器18的各一个层。

图5示出了在产生所述带形的复合元件50时加入氧化层60的示意图。氧化层60当前包含氧化铝（Al2O3）。

优选借助于滚动刮板65，将所述氧化层60在潮湿的状态中安设到所述带形的阳极元件45上。以下述方式给所述阳极元件45和所述氧化层60提供分离器元件16，使得所述氧化层60布置在所述阳极元件45和所述分离器元件16之间。

所述分离器元件16在将所述氧化层60安设之后立刻安设到所述阳极元件45上，尤其在所加入的氧化层60干燥之前。所述氧化层60促成了所述阳极元件45与所述分离器元件16的经改善的连接。

当前所述氧化层60加入到所述阳极元件45和所述聚烯烃载体之间。作为任选方案，能够完全省去聚烯烃载体的布设并且氧化物陶瓷浆能够直接作为粘附的分离器元件16浇注到阳极元件45上。

本发明不限于这里所描述的实施例和此处所强调的方面。其实，在通过权利要求书给出的范围内，位于本领域技术人员的处理的框架内的大量变型方案是可能的。

Claims

1.用于制造用于电池单池（2）的电极堆叠（10）的方法，所述方法包括下述步骤：

-提供带形的阳极元件（45），所述阳极元件包括阳极的电流引导体（31），在所述阳极的电流引导体上安设着阳极的活性材料（41），

-提供带形的阴极元件（46），所述阴极元件包括阴极的电流引导体（32），在所述阴极的电流引导体上安设着阴极的活性材料（42），

-提供带形的分离器元件（16），

-通过将所述分离器元件（16）安设到所述阳极元件（45）上来产生带形的复合元件（50），

-将所述复合元件（50）切割为板状的复合节段（52），以及

-将所述阴极元件（46）切割为板状的阴极节段（56），

-以下述方式堆叠节段（52、56、58），使得复合节段（52）和阴极节段（56）交替地布置。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，

首先将所述复合元件（50）切割为复合节段（52），并且将所述阴极元件（46）切割为阴极节段（56），并且接下来交替地堆叠所述复合节段（52）和所述阴极节段（56）。

3.按照权利要求1所述的方法，其中，

首先将所述阴极元件（46）安设到所述复合元件（50）上，并且其中，

将所述阴极元件（46）和所述复合元件（50）共同地切割为板状的堆叠节段（58），所述堆叠节段包括各一个复合节段（52）和阴极节段（56），并且接下来堆叠所述堆叠节段（58）。

4.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中，

所述阳极的活性材料（41）安设到所述阳极的电流引导体（31）的两面上，和/或其中，

所述阴极的活性材料（42）安设到所述阴极的电流引导体（32）的两面上。

5.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中，

在所述阳极元件（45）的两面上安设各一个分离器元件（16）。

6.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中，

所述分离器元件（16）利用氧化层（60）涂覆。

7.按照权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，

氧化层（60）表示为所述分离器元件（16）。

8.按照权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，

在产生所述带形的复合元件（50）时，将氧化层（60）安设到所述阳极元件（45）上。

9.按照权利要求1至6和8中任一项所述的方法，其中，

在产生所述带形的复合元件（50）时，将氧化层（60）加入到所述阳极元件（45）和所述分离器元件（16）之间。

10.按照权利要求8或9中任一项所述的方法，其中，

将所述氧化层（60）在潮湿的状态中安设到所述阳极元件（45）上。

11.按照权利要求10所述的方法，其中，

在所述氧化层（60）干燥之前，将所述分离器元件（16）安设到所述阳极元件（45）上和所述氧化层（60）上。

12.电池单池（2），所述电池单池包括根据按照前述权利要求中任一项所述的方法来制造的至少一个电极堆叠（10）。

13.按照权利要求12所述的电池单池（2）在电动车辆（EV）、混合动力车辆（HEV）、插电式混合动力车辆（PHEV）或者消费电子产品中的电池单池（2）中的应用。