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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle, bei welchem auf eine erste als Ableiter dienende Elektrodenschicht ein erstes aktives Material und auf das erste aktive Material ein Separator aufgebracht werden. Auf den Separator werden durch Beschichten ein zweites, von dem ersten aktiven Material verschiedenes aktives Material und auf das zweite aktive Material durch Beschichten eine zweite als Ableiter dienende und von der ersten Elektrodenschicht verschiedene Elektrodenschicht aufgebracht. Durch das Beschichten werden auf die zweite Elektrodenschicht erneut das zweite aktive Material, auf dieses zweite aktive Material erneut ein Separator, auf diesen Separator erneut das erste aktive Material und auf dieses erste aktive Material erneut eine erste Elektrodenschicht aufgebracht. Diese Beschichtungsvorgänge werden mehrmals vorgenommen, bis ein Stapel an Komponenten der Batteriezelle hergestellt ist. Im Bereich einer Grundfläche der Batteriezelle werden jeweils zu beschichtende Komponenten mit einer durch das Beschichten aufgebrachten Komponente der Batteriezelle vollständig bedeckt. Durch das Beschichten werden über die Grundfläche überstehende Teilbereiche der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht ausgebildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batteriezelle.
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Die
EP 2 270 909 A1 beschreibt eine Batterie, bei welcher auf einem Substrat ein Anodenableiter, eine Anode, ein Separator, eine Kathode und ein Kathodenableiter durch Aufsprühen gebildet werden.
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Die
US 2004/0126655 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie, bei welcher auf eine Isolatorschicht ein Kollektor als erster Ableiter, eine negative Elektrode, eine Elektrolytschicht, eine positive Elektrode und ein weiterer Kollektor als weiterer Ableiter mittels eines Tintenstrahldruckers aufgebracht werden. Beim Aufbringen der Ableiter werden elektrische Leitungsbereiche am Rand des Kollektors geformt. Beim Ausbilden der Elektroden werden am Rand der Elektroden isolierende Bereiche geformt.
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Die
US 2005/0132562 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie, bei welchem innerhalb eines Hüllmaterials eine Mehrzahl von positiven Kollektoren angeordnet sind. Auf beide Oberflächen des jeweiligen positiven Kollektors sind aktives positives und negatives Material und ein Elektrolyt durch Aufsprühen aufgebracht. In analoger Weise sind auf beide Oberflächen negativer Kollektoren Schichten negativen aktiven Materials durch Aufsprühen aufgebracht. Diese Schichten sind mit dem Elektrolyten in Anlage gebracht.
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Bei weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezellen, beispielsweise bei Lithium-Ionen-Zellen, ist es bekannt, Elektrodenfolien mit einem jeweiligem aktiven Material zu beschichten. Anschließend werden die Elektrodenfolien zurechtgeschnitten. Zwischen jeweils zwei beschichteten Elektrodenfolien wird ein Separator angeordnet. Dann werden die Elektrodenfolien gewickelt, gefaltet oder gestapelt.
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Bei Lithium-Ionen-Zellen wird als Elektrodenfolie eine Kupferfolie verwendet, auf welche als aktives Material Graphit mit eingelagerten Lithiumionen aufgebracht wird. Als positive Elektrode kommt bei Lithium-Ionen-Zellen eine Aluminiumfolie zum Einsatz, welche mit einem Lithium-Metalloxid beschichtet wird.
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Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass durch das Zurechtschneiden der Elektrodenfolien Kanten oder Grate entstehen können. Diese können im späteren Betrieb der Batteriezelle zu Schädigungen führen, etwa indem der Separator oder andere Komponenten der Batteriezelle verletzt werden. Des Weiteren bringt das Schneiden der beschichteten Elektrodenfolien einen unerwünschten Materialverlust mit sich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein besonders einfaches und aufwandsarmes Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine besonders einfach und aufwandsarm hergestellte Batteriezelle zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf den Separator durch Beschichten ein zweites aktives Material aufgebracht, welches sich von dem ersten aktiven Material unterscheidet. Auf das zweite aktive Material wird anschließend ebenfalls durch Beschichten eine zweite als Ableiter dienende Elektrodenschicht aufgebracht, welche von der ersten Elektrodenschicht verschieden ist. Dadurch, dass das zweite aktive Material und die zweite Elektrodenschicht durch ein Beschichtungsverfahren aufgebracht werden, entfällt ein Zurechtschneiden der Elektrodenschicht. Auch müssen die Elektrodenschichten nicht nach dem Versehenwerden mit jeweiligem aktiven Material aufeinander gestapelt werden. Vielmehr erfolgt der Vorgang des Aufeinanderstapelns, also das Bilden eines Stapels der einzelnen Komponenten der Batteriezellen durch das Beschichten selber, also durch das Auftragen der Komponenten aufeinander.
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So kann besonders einfach sichergestellt werden, dass kein Verschnitt anfällt, also kein Material verschwendet wird. Zudem treten keine Schnittkanten auf, welche zu einer Schädigung der Batteriezelle führen könnten. Des Weiteren lässt sich durch das Beschichten eine besonders homogene Zusammensetzung der aufgebrachten Komponenten sicherstellen. Die Herstellung der Batteriezelle ist so besonders einfach und aufwandsarm.
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Durch das Beschichten werden bei der Erfindung auf die zweite Elektrodenschicht erneut das zweite aktive Material, auf dieses zweite aktive Material erneut ein Separator, auf diesen Separator erneut das erste aktive Material und auf dieses erste aktive Material erneut eine erste Elektrodenschicht aufgebracht. Diese Beschichtungsvorgänge werden so oft wie gewünscht vorgenommen, bis ein Stapel an Komponenten der Batteriezelle hergestellt ist, welcher eine ausreichend große aktive Fläche aufweist, um im Betrieb der Batteriezelle eine gewünschte Stromstärke bereitzustellen.
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Bei der Erfindung werden im Bereich einer Grundfläche der Batteriezelle jeweils zu beschichtende Komponenten der Batteriezelle mit einer durch das Beschichten aufgebrachten Komponente der Batteriezelle vollständig bedeckt. Durch das Vorgeben einer bestimmten Form und Größe der Grundfläche kann die Form des Stapels der Komponenten wie gewünscht eingestellt werden. Es fällt auch kein überschüssiges Material an, da die Grundfläche besonders genau bis zu ihrem Rand beschichtet werden kann.
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Bei der Gestaltung der Grundfläche des Stapels besteht zudem eine große Gestaltungsfreiheit, es können also an den jeweiligen Zweck angepasste Formen gewählt werden.
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Durch das Beschichten werden über die Grundfläche überstehende Teilbereiche der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht ausgebildet. Dieser überstehende Teilbereich kann dann nämlich sehr einfach zum elektrischen Kontaktieren der ersten Elektrodenschichten miteinander oder der zweiten Elektrodenschichten miteinander genutzt werden. Es braucht also kein separates Anschlusselement bereitgestellt zu werden, sondern der überstehende Teilbereich bildet ein Anschlusselement.
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Über die Grundfläche überstehende Teilbereiche wenigstens zweier erster Elektrodenschichten einerseits und über die Grundfläche überstehende Teilbereiche wenigstens zweier zweiter Elektrodenschichten andererseits werden durch das Beschichten elektrisch miteinander verbunden. So kann ein separater Prozessschritt des Verbindens der jeweiligen Elektrodenschichten miteinander entfallen, und die elektrische Verbindung erfolgt im Herstellungsprozess des Stapels.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden auch das erste aktive Material auf die erste Elektrodenschicht und der Separator auf das erste aktive Material durch Beschichten aufgebracht. Es kann so besonders weitgehend auf ein Auflegen von vorgefertigten Komponenten wie etwa einer Separatorfolie auf Komponenten der Batteriezelle verzichtet werden, sodass nicht zwischen unterschiedlichen Arten des Aufbringens gewechselt zu werden braucht. Vielmehr wird alleine durch das Beschichten einer Komponente der Batteriezelle eine weitere Komponente derselben bereitgestellt. Bei dieser Ausgestaltung kann die erste Elektrodenschicht als Trägermaterial in Form einer Elektrodenfolie dienen, auf welche nacheinander die weiteren Komponenten der Batteriezelle in dem Beschichtungsverfahren aufgebracht werden.
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Es kann jedoch auch bereits die erste Elektrodenschicht durch Beschichten auf einen Träger aufgebracht und so hergestellt werden. Dieser Träger kann nach dem Fertigen der Batteriezelle entfernt werden und steht dann für die Fertigung eines weiteren Stapels der Komponenten der Batteriezelle zur Verfügung. Durch den Träger – oder bei Verzicht auf den Träger durch die erste Elektrodenschicht – kann des Weiteren besonders gut eine gewünschte Größe und Gestalt einer Grundfläche der Batteriezelle vorgegeben werden.
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Wird der Träger vorgesehen, so lassen sich die übrigen Komponenten der Batteriezelle durch dann vorteilhaft gleichartige Prozessschritte, nämlich die Anwendung eines jeweiligen Beschichtungsverfahrens und somit besonders aufwandsarm aufbringen.
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Für das Beschichten können eine Reihe von Beschichtungsverfahren zum Einsatz kommen. Besonders präzise ist es jedoch, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beim Beschichten auf eine jeweils zu beschichtende Komponente der Batteriezelle eine weitere Komponente der Batteriezelle durch Aufsprühen aufgebracht wird. Hierbei wird also die zu beschichtende Komponente mit einer Lösung besprüht, welche die als Beschichtung aufzubringende Komponente enthält. Die zu beschichtende Komponente wird also wie bei einem Druckverfahren mit einer Lösung benetzt, aus welcher sich dann die Komponente abscheidet.
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Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle sind auf eine erste als Ableiter dienende Elektrodenschicht ein erstes aktives Material und auf das erste aktive Material ein Separator aufgebracht. Auf den Separator sind durch Beschichten ein zweites, von dem ersten aktiven Material verschiedenes aktives Material und auf das zweite aktive Material durch Beschichten eine zweite als Ableiter dienende und von der ersten Elektrodenschicht verschiedene Elektrodenschicht aufgebracht. Durch das Beschichten sind auf die zweite Elektrodenschicht erneut das zweite aktive Material, auf dieses zweite aktive Material erneut ein Separator, auf diesen Separator erneut das erste aktive Material und auf dieses erste aktive Material erneut eine erste Elektrodenschicht aufgebracht. Durch mehrmaliges Vornehmen dieser Beschichtungsvorgänge ist ein Stapel an Komponenten der Batteriezelle hergestellt. Im Bereich einer Grundfläche der Batteriezelle sind jeweils zu beschichtende Komponenten mit einer durch das Beschichten aufgebrachten Komponente der Batteriezelle vollständig bedeckt. Durch das Beschichten sind über die Grundfläche überstehende Teilbereiche der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht ausgebildet. Die über die Grundfläche überstehenden Teilbereiche wenigstens zweier erster Elektrodenschichten einerseits und die über die Grundfläche überstehenden Teilbereiche wenigstens zweier zweiter Elektrodenschichten andererseits sind durch das Beschichten elektrisch leitend miteinander verbunden. Dadurch, dass die genannten Komponenten der Batteriezelle durch Beschichten aufgebracht sind, treten keine Schnittkanten auf, und es wird kein Material verschwendet. Die Batteriezelle, bei welcher es sich insbesondere um eine Lithium-Ionen-Zelle für eine Batterie eines Fahrzeugs handeln kann, ist somit besonders einfach und aufwandsarm hergestellt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 das Beschichten einer Kupferschicht einer Lithium-Ionen-Batteriezelle mit Anoden-Aktivmaterial, wobei die Kupferschicht ihrerseits durch Bedrucken eines Trägermaterials gebildet ist;
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2 das Beschichten einer ebenfalls durch Drucken aufgebrachten Aluminiumschicht der Batteriezelle mit Kathoden-Aktivmaterial in einem weiter fortgeschrittenen Stadium der Fertigung der der Batteriezelle; und
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3 das erneute Aufbringen einer Kupferschicht auf Anoden-Aktivmaterial der Batteriezelle.
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1 zeigt schematisch einen Druckkopf 10 mit einer Düse 12, aus welcher ein Medium 14 austritt. Durch Aufsprühen des Mediums 14 auf eine Elektrode in Form einer Kupferschicht 16 wird Anoden-Aktivmaterial 18 einer Batteriezelle 20 (vgl. 3) gebildet, welche als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet ist. Auch die Kupferschicht 16 selber, welche als Anodenableiter dient, ist durch Aufsprühen eines Kupfer enthaltenden Mediums auf einen Träger 22 gebildet. Ein Bewegungspfeil 24 gibt eine Relativbewegung des Druckkopfs 10 relativ zu der Kupferschicht 16 an, während welcher das Anoden-Aktivmaterial 18 durch Drucken auf die Kupferschicht 16 aufgebracht wird. In alternativen Ausführungsformen kann auf den Träger 22 verzichtet werden. Hier kann dann statt der durch Aufsprühen oder Drucken gebildeten Kupferschicht 16 auf den Träger 22 eine Kupferfolie ein Trägermaterial für die nachfolgend durch Drucken aufzubringenden Schichten der Batteriezelle 20 bilden.
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Aus 2 ist die Fertigung der Batteriezelle 20 in einem späteren Stadium ihrer Herstellung ersichtlich. Hierbei ist bereits durch Beschichten des Anoden-Aktivmaterials 18 mittels des Druckkopfs 10 ein Separator 26 auf dieses Anoden-Aktivmaterial 18 aufgebracht. Der Separatar 26 ist wiederum mit Kathoden-Aktivmaterial 28 beschichtet worden, und auf dieses Kathoden-Aktivmaterial 28 ist mittels des Druckkopfs 10 eine Aluminiumschicht 30 als Kathodenableiter aufgebracht worden. Auch hier wird also diese Elektrodenschicht nicht in Form einer Folie auf einen Stapel aufgelegt. Vielmehr wird die Aluminiumschicht 30 durch Aufsprühen eines entsprechend Aluminium enthaltenden Mediums auf den Stapel der bis dahin bereits durch Drucken hergestellten Komponenten der Batteriezelle 20 aufgebracht.
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2 zeigt schematisch das Beschichten der Aluminiumschicht 30 mit weiterem Kathoden-Aktivmaterial 28, indem die Aluminiumschicht 30 mit einem entsprechenden, aus der Düse 12 des Druckkopfs 10 austretenden Medium 32 beschichtet wird. Bevorzugt werden für die Erstellung der jeweiligen Schichten eigene Druckköpfe 10 verwendet, sodass nicht nach jedem Aufbringen einer jeweiligen Schicht der Druckkopf 10 gereinigt werden braucht.
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Bei der in 3 schematisch gezeigten Batteriezelle 20 ist auf die in 2 zu Oberst liegende Schicht des Kathoden-Aktivmaterials 28 ebenfalls bereits ein Separator 26 aufgebracht, und dieser Separator 26 ist dann mit einer weiteren Schicht des Anoden-Aktivmaterials 18 beschichtet worden. Daran anschließend wird auf dieses Anoden-Aktivmaterial 18 wieder eine Kupferschicht 16 aufgebracht, welche als weiterer Anodenableiter dient. Hierfür tritt aus der Düse 12 des Druckkopfs 10 ein entsprechendes Kupfer enthaltendes Medium 34 aus, mit welchem das Anoden-Aktivmaterial 18 beschichtet wird.
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Dieser Vorgang des Aufdruckens der einzelnen Schichten oder Komponenten der Batteriezelle 20 wird dann noch mehrmals wiederholt, bis die gewünschte Höhe des Stapels erreicht ist. Diese hängt unter anderem davon ab, für welchen Einsatzzweck die Batteriezelle 20 vorgesehen ist und wie viel Strom sie entsprechend im Betrieb liefern soll. Auch spielt es eine Rolle, ob der durch Bedrucken bereits gebildeter Schichten der Batteriezelle 20 mit weiteren Schichten gebildete Stapel in einer Rundzelle oder in einer prismatischen Zelle zum Einsatz kommen soll.
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In einem ersten Teilbereich 36 der Batteriezelle 20 wird der Träger 22 derart mit der Kupferschicht 16 bedruckt, dass diese in dem Teilbereich 36 über eine Grundfläche G der Batteriezelle 20 übersteht. Ebenso wird die in 3 zu Oberst aufgebrachte Kupferschicht 16 in diesem Teilbereich 36 über die Grundfläche G hinaus gedruckt. Dies führt dazu, dass in diesem ersten Teilbereich 36 die Kupferschichten 16 benachbarter galvanischer Zellen direkt miteinander verbunden werden.
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In analoger Weise werden die Aluminiumschichten 30, welche den jeweiligen Anodenableiter der Batteriezelle 20 bilden, in einem weiteren Teilbereich 38 über die Grundfläche G der Batteriezelle 20 hinaus gedruckt. Damit können auch die Anodenableiter direkt bei der Herstellung der Batteriezelle 20 in dem Teilbereich 38 elektrisch miteinander verbunden werden.
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Die Größe und die Gestalt der Grundfläche G kann je nach gewünschtem Einsatzzweck der Batteriezelle 20 in weiten Grenzen variieren.
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Dadurch, dass im Bereich der Grundfläche G die Schichten oder Komponenten der Batteriezelle 20 einander vollständig bedecken, also jeweils bis zum Rand der Grundfläche G gedruckt werden, liegen die einzelnen Komponenten der Batteriezelle 20 nach dem Druckvorgang direkt in der gewünschten Größe vor. Folglich entfällt ein Zuschneiden der Schichten, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, bei welchem jeweilige Elektrodenfolien mit dem zugehörigen aktiven Material beschichtet, dann zurechtgeschnitten und aufeinander gestapelt werden.
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Auch erfolgt der Vorgang des Stapelns der einzelnen Schichten aufeinander direkt beim Herstellen der jeweiligen Schicht oder Komponente der Batteriezelle 20. Durch das Bedrucken lediglich der Grundfläche G und der Teilbereiche 36, 38 wird des Weiteren kein Material verschwendet. Zudem treten keine Schnittkanten auf, da auf ein Zuschneiden von Folien verzichtet werden kann. Außerdem können die einzelnen Schichten der Batteriezelle 20 mittels des Druckkopfs 10 besonders homogen aufgebracht werden.
