DE102010041622A1

DE102010041622A1 - Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode

Info

Publication number: DE102010041622A1
Application number: DE102010041622A
Authority: DE
Inventors: Olaf Scheel; Johannes Röck; Wolfgang Weydanz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-03-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode (2), umfassend eine beschichtete metallische Folie (4), wobei die Folie zu einer Rolle (14) gewickelt wird und die Folie (4) entlang einer Wickelrichtung (16) durch ein Trennwerkzeug (6) getrennt wird und das Trennwerkzeug (6) eine keramische Schnittfläche aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode nach dem Patentanspruch 1.
Zur Herstellung von Batterieelektroden werden beschichtete Metallfolien aufgewickelt. Hierbei werden diese zunächst von einer großen und breiten Rolle abgewickelt, die der Länge nach in Streifen geschnitten wird. Diese Streifen werden bevorzugt im selben Arbeitsgang zu einem Batterieelektrodenhalbzeug wieder aufgewickelt.
Das Schneiden der beschichteten Folien erfolgt in der Regel durch Abrollen und Zuführen auf ein oder mehreren in einem Abstand parallel montierten rotierenden Messern. Die rotierenden Messer sind aus einer Metalllegierung gefertigt und sie führen einen Längsschnitt der beschichteten Folie durch. Hierbei wird die Folie mit konstanter Geschwindigkeit zugeführt. Die Teilfolien werden dann auf separaten Rollen aufgewickelt.
Insbesondere bei der Herstellung von Batterieelektroden kann es zu metallischem Abrieb der eingesetzten Messer bzw. der eingesetzten Trennwerkzeuge kommen. Dabei kann es zu einer Gratbildung an den Schnittkanten der – in der Regel metallischen – Folien kommen. Hierbei kann es bei einer relativ unsauberen Schnittkante dazu kommen, dass ein auf der Folie beschichtetes Aktivmaterial abbröselt und zwischen die Elektroden gerät, was einen sehr unerwünschten Effekt darstellt.
Weiterhin führt das Schneiden der Folien zu einem Abnutzen des Messers, das hierdurch stumpf wird. Dies kann ebenfalls dazu führen, dass ein metallischer Abrieb zwischen die Elektroden kommt. Ferner wird durch ein stumpfes Messer die bereits beschriebene Gratbildung an den Schnittkanten der Folie in unerwünschter Weise verstärkt. Die daraus resultierende Folge ist, dass bei der Herstellung dieser Batterieelektroden eine erhöhte Qualitätsüberwachung notwendig ist. Ferner müssen die Messer häufig nachgeschliffen und ausgetauscht werden, wodurch hohe Wartungszeiten und Wartungskosten entstehen. Bei der Herstellung von Batterieelektroden sind der Abrieb des Messers bzw. die Spanbildung und deren Anlagerung zwischen den Elektroden besonders negativ. In extremen Fällen können nämlich durch die Späne die dünnen, so genannten Separatorfolien durchstoßen werden. Dies führt zu Kurzschlüssen in der Zelle, was bis zu einer Explosion der Zelle führen kann. Die Kurzschlüsse können auch erst im Betrieb der Zelle nach Monaten auftreten, was durch das stete mechanische Arbeiten der Elektroden während des Lade- und Entladevorgangs bedingt sein kann. Diese Art von Kurzschlüssen ist sehr schwer vorherzusagen und sie können ohne Vorwarnung auftreten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, ein Herstellungsverfahren für Batterieelektroden bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik geringere Wartungszeiten und Wartungskosten verursacht und die dadurch hergestellten Batterien deutlich höhere Qualität und Kurzschlusssicherheit aufweisen.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode nach dem Patentanspruch 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode umfasst eine, in der Regel beschichtete, metallische Folie, wobei die Folie zu einer Rolle gewickelt wird und die Folie entlang einer Wickelrichtung durch ein Trennwerkzeug getrennt wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Trennwerkzeug eine keramische Schnittfläche aufweist.
Durch die Verwendung von keramischen Trennwerkzeugen ist die Spanbildung, wie sie bei metallischen Trennwerkzeugen auftritt, deutlich verringert. Ferner bilden keramische Abriebmaterialien in der Regel kugelförmige oder kleine dünne Stäube aus, die nicht in beschriebener Form zum Durchstoßen der dünnen Folien und somit nicht zu einem Kurzschluss zwischen den einzelnen Zellen führen können. Ferner werden die keramischen Messer weniger stumpf, was einen geringeren Wartungsaufwand und somit geringere Wartungskosten bedeutet.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Trennwerkzeug voll keramisch ausgestaltet. Grundsätzlich ist auch eine teilkeramische Ausgestaltung des Trennwerkzeuges in Form eines keramischen Schnittflächenbereichs zweckmäßig. Ferner kann grundsätzlich das Trennwerkzeug auch nur direkt an der Schneidfläche mit einer keramischen Schicht beschichtet sein. Als vorteilhafte Materialien für das keramische Trennwerkzeug haben sich oxidische Keramiken, wie Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, herausgestellt. Grundsätzlich können weder nitridische Keramiken, wie Siliciumnitrid oder Bornitrid, zweckmäßig sein.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung kann es wiederum zweckmäßig sein, dass eine bereits in gewünschter Dicke gewickelte Batterieelektrode durch ein keramisches Trennwerkzeug geschnitten wird. Das Schneiden erfolgt demnach im bereits aufgewickelten Zustand.
Mit einem keramischen Trennwerkzeug lässt sich ebenfalls die Folie im bereits gewickelten Zustand, also im Halbzeugzustand der Elektrode, konturieren, es können beispielsweise Absätze und Fähnchen aus den gewickelten Rollen herausgeschnitten werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die keramischen Messer auf der Unterseite in der Regel keinen Gegendruck oder nur einen geringen Gegendruck benötigen. Es kann daher in den meisten Fällen auf eine nach dem Stand der Technik übliche Gegenwalze, die unterhalb der Folie auf der gegenüberliegenden Seite zum Trennwerkzeug verläuft, verzichtet werden.
Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei werden Merkmale mit derselben Benennung in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
Dabei zeigen:
1 eine Slittingmaschine zum Schneiden und Aufrollen von metallischen Folien,
2 einen Querschnitt durch eine Slittingmaschine nach dem Stand der Technik und
3 ein Halbzeug einer Batterieelektrode in Form einer aufgerollten Folie.
In 1 ist eine Prinzipdarstellung einer Slittingmaschine gegeben, bei der ein Coil 10, also eine Rolle einer Folie 4, abgerollt und geschnitten wird. Bei der Folie 4 handelt es sich um eine beschichtete Folie 4, die zur Herstellung von Batterieelektroden verwendet wird. Die Batterieelektroden 2 sind ebenfalls gerollte Folienstreifen, die eine definierte Höhe aufweisen und eine definierte Anzahl von spiralförmigen Windungen. Dies bedeutet, dass das Coil 10 abgerollt werden muss. Da es eine deutlich größere Länge hat als die Höhe herzustellenden Batterieelektroden 4, muss das Coil 10 bzw. die darauf aufgewickelte Folie 4 der Länge nach geschnitten werden und nach dem Schneidevorgang zu Batterieelektroden 2 mit definiertem Durchmesser aufgewickelt werden.
Hierzu wird die Folie 4 von dem Coil 10 abgerollt und über verschiedene Umlenkrollen 18 zu einem Schneidewerkzeug 6 in Wickelrichtung 16 gezogen. Das Schneidewerkzeug 6 ist in Form eines keramischen Schneidewerkzeuges 6 ausgestaltet. Hierbei sind mehrere Schneidewerkzeuge 6 auf einer Welle 7 angeordnet. Die Welle 7 wird gegen die Folie 4 gedrückt, wodurch in Wickelrichtung 16 ein Längsschnitt in der Folie 4 entsteht.
Die einzelnen Schnittbereiche der Folie 4, die durch die Schneidewerkzeuge 6 voneinander getrennt sind, werden wiederum auf einzelne Batterieelektroden (Halbzeuge) 2 aufgewickelt. Die Wicklung erfolgt so lange, bis die gewünschte Dicke der Batterieelektrode 2 erreicht ist.
Wie in 1 zu erkennen ist, werden die Schneidewerkzeuge 6 auf der Welle 7 gegen die Folie 4 gedrückt. Hierbei ist kein Gegendruck auf der Oberseite oder auf der gegenüber liegenden Seite der Folie 4 notwendig. Dies steht im Gegensatz zu der Darstellung in 2, die eine Slittingmaschine nach dem Stand der Technik darstellt. Hierbei sind ebenfalls die Messer 6 in Hartmetallausführung auf einer oberen Welle 7 angeordnet, die Folie 4 verläuft kontinuierlich unterhalb der Welle 7, durchgeschnitten würde die Folie 4, indem die Welle 7 nach unten gedrückt wird und die Messer 6 gegen Gegendruckwalzen 22 gedrückt werden, wodurch der Schnitt in der Folie 4 erzeugt wird. Derartige Gegendruckwalzen 22 sind gemäß der Erfindung durch Verwendung von keramischen Schneidewerkzeugen nicht erforderlich, was den Verfahrensaufwand und die technische Komplexität der Slittingmaschine an sich deutlich verringert.
In 3 ist ein Halbzeug einer Batterieelektrode 2 dargestellt, wobei es sich um die gemäß 1 aufgewickelte Folie 4 handelt. In verschiedenen Fällen ist es erforderlich, dass die Batterieelektrode 2 Konturen erhält, dies kann ebenfalls durch ein keramisches Trennwerkzeug 6' erfolgen. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Folie 4 ungeschnitten (im Gegensatz zur Darstellung nach 1) auf ein weiteres Coil aufzurollen, dieses Coil genau dem geforderten Durchmesser der Batterieelektrode anzupassen und dieses hier nicht dargestellte zweite Coil durch keramische Trennwerkzeuge zu schneiden.
Durch das Schneiden der Folie 4 bzw. der auf einem Coil gerollten Batterieelektrode mit einem keramischen Trennwerkzeug wird vermieden, dass Späne, die beim Abrieb von metallischen Trennwerkzeugen entstehen, zwischen die gewickelte Folie 4 gelangen. Derartige Späne könnten die hier nicht dargestellte Aktivbeschichtung auf der metallischen Folie 4 und die metallische Folie 4 an sich durchstoßen, wodurch der Elektrolyt zwischen den einzelnen Folienbereichen durchdringen könnte, was zu einem Kurzschluss der Batterieelektrode, insbesondere einer Lithiumionenbatterie, führen könnte. Ein derartiger Kurzschluss könnte im schlimmsten Fall zu einer Explosion der Zelle führen. Es ist zwar nicht auszuschließen, dass auch keramische Trennwerkzeuge 6 einen Abrieb beim Schneiden der Folie 4 erzeugen, dieser Abrieb tritt jedoch in kleinerer Partikelgröße in der Regel zwischen 5 μm und 0,5 μm auf. Hierbei liegt der keramische Abrieb in der Größenordnung des Aktivbeschichtungsmaterials, das auf der metallischen Folie 4 aufgebracht ist. Hierbei weist der keramische Abrieb grundsätzlich auch eher eine runde Teilchenform auf, die im Gegensatz zu den scharfen Metallspänen stehen, wodurch die Gefahr einer Durchbohrung der metallischen Folie 4 deutlich geringer wird. Ferner ist eine Kurzschlussgefahr, die durch das Auftreten von metallischen Spänen zwischen den einzelnen Elektroden entsteht, bei keramischem Abriebmaterial nicht gegeben, da das keramische Abriebmaterial nicht elektrisch leitfähig ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode (2), umfassend eine metallische Folie (4), wobei die Folie zu einer Rolle (14) gewickelt wird und die Folie (4) entlang einer Wickelrichtung (16) durch ein Trennwerkzeug (6) getrennt wird und das Trennwerkzeug (6) eine keramische Schneidfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schneidfläche des Trennwerkzeugs (6) vollkeramisch ausgestaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schneidfläche des Trennwerkzeugs (6) aus einer oxidischen Keramik besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schneidfläche des Trennwerkzeugs (6) aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schneidfläche des Trennwerkzeugs (6) aus einer nitridischen Keramik besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schneidfläche des Trennwerkzeugs (6) aus Siliciumnitrid oder Bornitrid besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewickelte Rolle (14) mit einem keramischen Trennwerkzeug (6) geschnitten wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der der geschnittenen gewickelten Rolle (18) Konturen ausgeschnitten werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Rolle ein Absatz (18) ausgeschnitten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (14) durch das keramische Trennwerkzeug (6) ohne Aufbringen eines Gegendrucks auf der dem Trennwerkzug (6) gegenüber liegenden Seite der Folie (14) geschnitten wird.