CN111279524A - 用于制造电池组电池的电极单元的功能元件的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造电池组电池的电极单元的功能元件（50）的方法，其中提供至少一种原材料（51），而且在压延机（60）中对所述原材料（51）进行压缩，而且其中在所述压缩期间将声波或超声波从所述压延机（60）传输到所述原材料（51）中。本发明也涉及一种用于制造电池组电池的电极单元的功能元件（50）的设备，所述设备包括具有至少两个辊子（61、62）的压延机（60），其中设置至少一个声波或超声波发生器（65），所述至少一个声波或超声波发生器与所述辊子（61、62）中的至少一个辊子保持功能连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造电池组电池的电极单元的功能元件的方法，其中提供至少一种原材料，而且在压延机中对该原材料进行压缩。本发明也涉及一种用于制造电池组电池的电极单元的功能元件的方法，其中该设备包括具有至少两个辊子的压延机。
背景技术
能借助于电池组来存储电能。电池组将化学反应能转换成电能。在这种情况下，一次电池组和二次电池组不同。一次电池组只是一次性地有工作能力，而也被称作蓄电池的二次电池组能重新被充电。在此，一个电池组包括一个或多个电池组电池。
在蓄电池中，尤其是所谓的锂离子电池组电池得到应用。这些锂离子电池组电池的特点尤其在于高能量密度、热稳定性和极其微小的自放电。锂离子电池组电池尤其在机动车中投入使用，尤其是在电动车辆（Electric Vehicle，EV）、混合动力车辆（HybrideElectric Vehicle，HEV）以及插电式混合动力车辆（Plug-In-Hybride Electric Vehicle，PHEV）中投入使用。
锂离子电池组电池具有也被称作阴极的正电极和也被称作阳极的负电极。阴极以及阳极各包括集流体，具有电化学活性材料的功能元件涂覆到该集流体上。阴极的活性材料例如包含金属氧化物、如Li2MnO3或者包含NCM合金、即由镍、钴和锰构成的合金。阳极的活性材料例如包含硅或石墨。在阴极与阳极之间存在能传导离子的、不导电的隔膜或电解质，作为另一元件。电解质可以是液态或固态，例如是聚合物、玻璃或陶瓷。
除了活性材料之外，功能元件的电极材料还常常包括其它材料，尤其是电子传导成分、诸如导电性炭黑或石墨以及离子传导成分、诸如液态或固态电解质。为了电极材料的机械稳定，例如可以使用聚合物粘合剂。
功能元件可以以湿法来制造。为此，电极材料作为粉末例如与粘合剂和溶剂混合并且例如作为薄层被涂覆到集流体上。在电极材料干燥之后，在集流体上直接形成功能元件。
功能元件也可以以干法来制造。为此，由所准备的电极材料通过压缩、尤其是辊压或挤压来制造功能元件。紧接着，功能元件可以通过层压来与其它元件、例如隔膜或集流体连接。
从出版文献JP 2012-089388公知一种用于制造固态电池组的方法。在此，固态电池组的功能元件在压力机中不连续地被制造。在此，粉末状材料在压力机中被压缩，而同时超声波被传输到该材料上。
尤其从论文“Fartashvand等人，Ultrasonics Sonochemistry 36 (2017年),155-161页”公知：对金属或陶瓷粉末状材料进行压合并且在压合期间对其用超声波来照射。
出版文献JP 2003-168444公开了一种用于制造燃料电池的隔膜的方法。在此，石墨粉末和聚合物混合物在铸模中被熔化并且在此用超声波来照射。
发明内容
提出了一种用于制造电池组电池的电极单元的功能元件的方法。功能元件例如是阳极活性材料层、阴极活性材料层或者电解质层，或隔膜。功能元件也可以包括多个不同的层。
在此，提供至少一种原材料。如果功能元件是电解质层，则该原材料例如包括来自如下体系的玻璃或玻璃陶瓷，该体系包括Li2S-P2S5（必要时具有添加剂或掺杂剂）、钙钛矿（例如Li-La-Ti-氧化物）、石榴石（例如Li-La-Zr-氧化物）、具有NaSICON或LiSICON结构（例如Li-Al-Ti-磷酸盐）的陶瓷离子导体或者硫银锗矿（例如含卤素的Li-P-硫化物）。如果功能元件是阴极活性材料层，则该原材料例如包括LCO（Li-Co-氧化物）、NCM（Ni-Co-Mn-氧化物）、NCA（Ni-Co-Al-氧化物），必要时具有保护性表面涂层，其与Li离子导体（电解质材料）以及导电体、如碳混合。如果功能元件是阳极活性材料层，则该原材料基于如碳、硅或锂那样的活性材料，必要时与其它组成部分（尤其是导电材料、离子导体）混合。
上述用于制造功能元件的原材料紧接着在压延机中被压缩。在此，压延机优选地具有至少两个辊子，所述至少两个辊子朝相反方向旋转。即，原材料尤其是通过在压延机的这两个旋转辊子之间的辊压过程来被压缩。
在对原材料进行压缩期间，将声波或超声波从压延机传输到原材料中，用于制造功能元件。所述声波或超声波例如由声波或超声波发生器来产生，该声波或超声波发生器与压延机的辊子中的至少一个辊子保持功能连接。所述声波或超声波优选地具有在10Hz与1GHz之间的频率范围，特别优选地具有在1MHz与200MHz之间的频率范围。
按照该方法的一个有利的设计方案，该至少一种原材料作为粉末、多种粉末的混合物或者一种或多种粉末与添加剂、例如有机粘合剂的混合物来提供并且被输送给压延机。
按照该方法的另一有利的设计方案，该至少一种原材料作为薄膜、例如由粉末与有机助剂（如粘合剂、溶剂、分散剂等等）的混合物浇铸、刮涂或印刷得到的薄膜来提供并且作为薄膜被输送给压延机。
按照该方法的一个有利的扩展方案，提供至少一种其它原材料，其中第一原材料和该其它原材料在压延机中被压缩为使得功能元件具有至少两个不同的层。在此，该其它原材料被涂覆到作为薄膜来提供的第一原材料上，并且两种原材料共同被输送给压延机。
优选地，该其它原材料在此不同于第一原材料。视所使用的原材料而定，这样制造的功能元件例如可以包括电解质层和阴极活性材料层。视所使用的原材料而定，这样制造的功能元件例如也可以包括电解质层和阳极活性材料层。
按照该方法的一个有利的设计方案，该至少一种其它原材料作为粉末、多种粉末的混合物或者一种或多种粉末与添加剂、例如有机粘合剂的混合物来提供并且与作为薄膜来提供的第一原材料共同被输送给压延机。
按照该方法的另一有利的设计方案，该至少一种其它原材料作为薄膜、例如由粉末与有机助剂（如粘合剂、溶剂、分散剂等等）的混合物浇铸、刮涂或印刷得到的薄膜来提供并且作为薄膜与作为薄膜来提供的第一原材料共同被输送给压延机。
按照该方法的一个有利的扩展方案，在对该至少一种原材料进行压缩期间，将热能从压延机传递到原材料中。因此，该至少一种原材料在压缩期间被加热。在将玻璃状原材料（诸如Li2S-P2S5）或聚合物离子导体（诸如PEO）加热到在玻璃化转变温度之上的温度时，其粘性降低并且延展性被改善。由此，利用更低的压力来进行压缩是可能的。
按照该方法的另一有利的扩展方案，功能元件随后、即在从压延机中退出之后被烧结。通过这种烧结处理，功能元件可以有利地进一步被压缩。优选地，该烧结在温度刚好低于原材料的熔点的情况下进行。
也提出了一种用于制造电池组电池的电极单元的功能元件的设备。在此，用于制造功能元件的设备包括具有至少两个辊子的压延机，所述至少两个辊子优选地朝相反方向旋转。接着，原材料通过在压延机的这两个旋转辊子之间的辊压过程来被压缩。
按照本发明，设置至少一个声波或超声波发生器，该至少一个声波或超声波发生器与这些辊子中的至少一个辊子保持功能连接。在此，该声波或超声波发生器产生声波或超声波，所述声波或超声波在对原材料进行压缩期间从压延机被传输到该原材料中。优选地，该声波或超声波发生器在此产生在10Hz与1GHz之间的频率范围内、特别优选地在1MHz与200MHz之间的频率范围内的声波或超声波。
按照本发明的一个有利的设计方案，该至少一个声波或超声波发生器布置在压延机的辊子中的一个辊子之内。
按照本发明的另一有利的设计方案，该至少一个声波或超声波发生器布置在压延机的辊子之外。
本发明的优点
通过按照本发明的方法，可以制造电池组电池的电极单元的功能元件，尤其是阳极活性材料层、阴极活性材料层以及电解质层，这些功能元件强烈地被压缩并且只具有微小的孔隙度。在此，平均和最大孔径都减小。由此，保证了功能元件的组成部分、例如在阴极活性材料层或阳极活性材料层中的晶粒、例如活性材料的晶粒和基质相、例如离子传导相的良好的接触。因此，在电极单元运行期间电子和离子的转移被改善，而且电阻以及离子电阻都减小。在按照本发明来压缩的材料中的小孔也能在随后的烧结过程中比大孔更容易被除去。因此，在烧结时以更小的孔隙度和孔径对功能元件的进一步压缩需要更少的时间花费和/或更低的烧结温度。较短时间并且在较低温度下的烧结降低了在功能元件的组成部分之间发生不符合期望的反应的危险。也有利地提高了按照本发明来制造的功能元件的均质性。借此，降低了在功能元件之内存在压缩较小的区域的危险。这种区域可能是锂树枝状晶生长的机械、电或电化学缺陷或者路径。
该方法还允许制造具有多个层的功能元件。在此，也实现了在相邻的层之间的良好且均匀的接触。在此，降低了在功能元件的相邻的层之间存在孔或空腔的危险。这种孔或空腔可能是树枝状晶生长的机械、电或电化学缺陷以及起点或者路径。有利地，在辊压过程中也除去了存在于空腔中的气体，该气体尤其是存在于粉末状原材料之间的空腔中。由此，显著降低了由于在填充有气体的空腔中的内部超压、尤其是在温度升高时的内部超压而引起的功能元件的损坏或膨胀的危险。
附图说明
本发明的实施方式依据附图和随后的描述进一步予以阐述。
其中：
图1示出了电池组电池的示意图；
图2示出了电极单元的示意性截面图；而
图3示出了压延机的透视图。
具体实施方式
在随后对本发明的实施方式的描述中，相同或者类似的要素用相同的附图标记来表示，其中在个别情况下省去了对这些要素的重复的描述。这些附图只是示意性地呈现本发明的主题。
图1示出了电池组电池2的示意图。电池组电池2包括电池外壳3，该电池外壳棱柱形地、在当前情况下方形地来构造。在当前情况下，电池外壳3导电地来实施而且例如由铝制成。但是，电池外壳3也可以由电绝缘材料、例如塑料制成。
电池组电池2包括负接线端子11和正接线端子12。通过这些接线端子11、12可以量取由电池组电池2提供的电压。此外，电池组电池2也可以通过这些接线端子11、12来充电。
在电池组电池2的电池外壳3之内布置电极单元10，该电极单元例如实施为电极堆或电极线圈。电极单元10具有两个电极，即阳极21和阴极22。阳极21和阴极22分别扁平地来实施并且通过隔膜18来彼此隔离。隔膜18同样扁平地来实施并且能传导离子、即对于锂离子来说是能透过的。
阳极21包括阳极活性材料层41和集流体31。阳极21的集流体31导电地来实施并且由金属制成，例如由铜制成。阳极21的集流体31与电池组电池2的负接线端子11电连接。
阴极22包括阴极活性材料层42和集流体32。阴极22的集流体32导电地来实施并且由金属制成，例如由铝制成。阴极22的集流体32与电池组电池2的正接线端子12电连接。
在电极单元10的阴极活性材料层42中嵌入锂原子。在电池组电池2中的电极单元10的充电过程中，锂离子从阴极活性材料层42经过隔膜18移动到阳极活性材料层41。在此，这些锂离子被嵌入在阳极活性材料层41中。该过程也被称作锂化。同时，电子在外部电路中从阴极22流动到阳极21。
在电池组电池2运行时、即在电极单元10的放电过程中，电子在外部电路中从阳极21流动到阴极22。在电极单元10之内，锂离子从阳极活性材料层41经过隔膜18移动到阴极活性材料层42。在此，锂离子从阳极活性材料层41中可逆地转移出来，这也被称作脱锂。
图2示出了在图1中示出的电池组电池2的电极单元10的示意性截面图。在当前情况下，电极单元10以如下该顺序包括：阴极22的集流体32；阴极活性材料层42；电解质层45；阳极活性材料层41；和阳极21的集流体31。在此，电解质层45构成电池组电池2的电极单元10的隔膜18。
图3示出了用于制造功能元件50的设备的压延机60的透视图。在当前情况下，压延机60具有第一辊子61和第二辊子62，所述第一辊子和第二辊子沿转动方向67朝相反方向旋转。在辊子61、62之间形成间隙69。
声波或超声波发生器65布置在这两个辊子61、62之外。在当前情况下，声波或超声波发生器65与第二辊子62保持功能连接。在此，声波或超声波发生器65产生声波或超声波，所述声波或超声波被传输到压延机60的第二辊子62上。
在当前情况下，另一、这里被遮住的声波或超声波发生器65布置在第一辊子61之内并且与第一辊子61保持功能连接。在此，布置在第一辊子61之内的声波或超声波发生器65产生声波或超声波，所述声波或超声波被传输到压延机60的第一辊子61上。
在当前情况下，原材料51作为薄膜来提供并且作为薄膜被输送给压延机60。在此，原材料51沿输送方向55被插入到压延机60的辊子61、62之间的间隙69中。紧接着，原材料51通过在压延机60的两个旋转辊子61、62之间的辊压过程来被压缩。
原材料51例如也可以作为粉末来提供并且作为粉末被输送给压延机60。在这种情况下，可以设置载体膜或载体衬底，作为粉末存在的原材料51被涂覆到该载体衬底上。
除了在下文也被称作第一原材料51的原材料51之外，还可以提供其它原材料，将其输送给压延机60。在此，该其它原材料被涂覆到作为薄膜来提供的第一原材料51上并且与第一原材料51共同被输送给压延机60。在此，第一原材料51和该其它原材料通过在压延机60的两个旋转辊子61、62之间的辊压过程来被压缩。
该其它原材料例如可以作为粉末来提供并且作为粉末与作为薄膜来提供的第一原材料51共同被输送给压延机60。该其它原材料例如也可以作为薄膜来提供并且作为薄膜与作为薄膜来提供的第一原材料51共同被输送给压延机60。
在对原材料51以及必要时该其它原材料进行压缩期间，将声波或超声波从压延机60传输到原材料51中以及必要时传输到该其它原材料中。在此，所述声波或超声波由两个声波或超声波发生器65来产生，所述两个声波或超声波发生器与压延机60的这两个辊子61、62保持功能连接。
可选地，可以将热能从压延机60、尤其是从压延机60的辊子61、62传递到原材料51中以及必要时传递到该其它原材料中，使得原材料51以及必要时该其它原材料在压缩期间在压延机60中被加热。在这种情况下，在辊子61、62上设置相对应的这里未示出的加热装置。
通过在压延机60中在声波或超声波的同时作用下对原材料51以及必要时该其它原材料进行压缩，形成功能元件50。在此，功能元件50从压延机60的辊子61、62之间的间隙69中退出。
如果只将第一原材料51输送给压延机60，则功能元件50包括唯一的层。例如，功能元件50是阳极活性材料层41。功能元件50也可以是阴极活性材料层42。功能元件50还可以是电解质层45。
如果将第一原材料51和该其它原材料输送给压延机60，则功能元件50包括多个不同的层。例如，功能元件50可以包括阳极活性材料层41和电解质层45。功能元件50同样可以包括阴极活性材料层42和电解质层45。
附加地，在从压延机60中退出之后，所制造的功能元件50还可以被烧结。在此，通过随后的烧结，功能元件50还进一步被压缩。
本发明并不限于这里描述的实施例以及其中所强调的方面。更确切地说，在通过权利要求书所说明的保护范围内，多个变型方案都是可能的，所述变型方案都在本领域技术人员的处理范围内。
Claims (11)
1.一种用于制造电池组电池（2）的电极单元（10）的功能元件（50）的方法，其中
提供至少一种原材料（51），而且
在压延机（60）中对所述原材料（51）进行压缩，而且其中
在所述压缩期间将声波或超声波从所述压延机（60）传输到所述原材料（51）中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
所述至少一种原材料（51）作为粉末来提供。
3.根据权利要求1所述的方法，其中
所述至少一种原材料（51）作为薄膜来提供。
4.根据权利要求3所述的方法，其中
提供至少一种其它原材料，其中所述原材料（51）和所述其它原材料在所述压延机（60）中被压缩为使得
所述功能元件（50）具有至少两个不同的层（41、42、45）。
5.根据权利要求4所述的方法，其中
所述至少一种其它原材料作为粉末来提供。
6.根据权利要求4所述的方法，其中
所述至少一种其它原材料作为薄膜来提供。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其中
在所述压缩期间将热能从所述压延机（60）传递到所述原材料（51）中。
8.根据上述权利要求之一所述的方法，其中
所述功能元件（50）随后被烧结。
9.一种用于制造电池组电池（2）的电极单元（10）的功能元件（50）的设备，所述设备包括具有至少两个辊子（61、62）的压延机（60），
其特征在于，
设置至少一个声波或超声波发生器（65），所述至少一个声波或超声波发生器与所述辊子（61、62）中的至少一个辊子保持功能连接。
10.根据权利要求9所述的设备，
其特征在于，
所述至少一个声波或超声波发生器（65）布置在所述辊子（61、62）中的一个辊子之内。
11.根据权利要求9至10之一所述的设备，
其特征在于，
所述至少一个声波或超声波发生器（65）布置在所述辊子（61、62）之外。
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