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Stand der Technik
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Im Automobilbereich gewinnen Elektromotoren als alternatives Antriebskonzept zu Verbrennungsmotoren zunehmend an Bedeutung. Der limitierende Faktor bei Elektro- und Hybridfahrzeugen sowohl hinsichtlich der zu erzielenden Fahrleistungen, als auch bei der Reduktion der Herstellungskosten auf ein zum konventionellen Verbrennungsfahrzeug konkurrenzfähiges und somit marktfähiges Niveau sind stets die Energiespeicherzellen zur Speicherung der benötigten elektrischen Energie. Es besteht daher ein hoher Bedarf an solchen Energiespeicherzellen, welche vergleichsweise kostengünstig in großer Anzahl herstellbar sind und gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte gewährleisten.
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Aus dem Stand der Technik sind Lithium-Ionen-Batterien bekannt, welche diesen Anforderungen zurzeit am besten gerecht werden. Eine Möglichkeit eine möglichst kostengünstige Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien zu erzielen besteht darin, auf den Separator zu verzichten und einen Feststoffelektrolyten zu verwenden, welcher gleichzeitig die geometrische Trennung zwischen den Elektroden (Funktion des Separators) und den Ionenaustausch (Funktion des Elektrolyts) ermöglicht. Zur Herstellung einer solchen auf einem Feststoffelektrolyten basierenden Batterie ist bekannt, das Aktivmaterial der Elektroden und den Feststoffelektrolyt gleichzeitig mittels Extrudern auf die Elektrodenableiterfolie zu laminieren. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass beim Extrudieren eine unkontrollierte Vermischung des Aktivmaterials und des Elektrolytmaterials möglich ist, wodurch die elektrische Leistungsfähigkeit der Batterie reduziert wird und bei ungünstiger Durchmischung sogar ein kritischer, elektrischer Kurzschluss zwischen einer Elektrode und deren Gegenelektrode entstehen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Energiespeicherzelle bereitzustellen, welches eine einfache, kostengünstige und zuverlässige Herstellung von qualitativ hochwertigen Energiespeicherzellen erlaubt und insbesondere die Gefahr von Kurzschlüssen im Bereich der Elektroden ausräumt.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle mit den Schritten: Bereitstellen wenigstens einer Elektrode in einem ersten Verfahrensschritt, Herstellen eines Elektroden-Elektrolyt-Verbund durch Beschichten der wenigstens einen Elektrode mit einem Feststoffelektrolyten in einem zweiten Verfahrensschritt und Erhitzen des Elektroden-Elektrolyt-Verbunds in einem dritten Verfahrensschritt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine feste und insbesondere stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Feststoffelektrolyten und angrenzenden Elektroden herbeigeführt wird, ohne dass die Gefahr einer unkontrollierten Durchmischung von Aktivmaterial der Elektrode und dem Material des Feststoffelektrolyts besteht. Der Elektroden-Elektrolyt-Verbund wird vorzugsweise auf einen Temperaturbereich erhitzt wird, in welchem der Feststoffelektrolyt verformbar wird. Optional wäre auch denkbar, dass der Elektroden-Elektrolyt-Verbund sogar bis in den Bereich der Schmelztemperatur des Feststoffelektrolyten erhitzt wird. Der Feststoffelektrolyt geht zumindest teilweise in den flüssigen Phasenzustand über oder wird zumindest teilweise verformbar, so dass sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Oberfläche des Feststoffelektrolyten und dem angrenzenden Aktivmaterial der jeweiligen Elektrode ausbildet. Insbesondere dringt der Feststoffelektrolyt dabei in Poren der Elektrode ein, so dass sich eine besonders große Oberfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode ausbildet und somit eine hohe Leistungsdichte erzielt wird. Der Feststoffelektrolyt und/oder das Aktivmaterial werden hierbei insbesondere nur angeschmolzen oder zumindest teilweise verformbar und nicht vollständig aufgeschmolzen bzw. verflüssigt, so dass der grundsätzlich schichtweise Aufbau aus Elektrode, Feststoffelektrolyt und Gegenelektrode erhalten bleibt. Auf diese Weise bleibt auch die jeweilige Schichtdicke im Wesentlichen erhalten, so dass die Leistungsfähigkeit der Energiespeicherzelle nicht beeinträchtigt wird. Der Feststoffelektrolyt dient dann sowohl zum Ionenaustausch, als auch zur geometrischen Beabstandung von Elektrode und Gegenelektrode, so dass einerseits die Verwendung eines Separators eingespart werden kann und andererseits dennoch eine kompakte Energiespeicherzelle mit hoher Leistungsfähigkeit und ohne Gefahr von auftretenden Kurzschlüssen kostengünstig hergestellt werden kann. Die Energiespeicherzelle umfasst vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie. Denkbar wäre aber auch, dass die Energiespeicherzelle einen Lithium-Ionen-Kondensator umfasst. Das Aktivmaterial der Elektrode besteht für die Anode beispielsweise aus Lithium, Graphit, lithiumhaltigen Legierungen, lithiumhaltigen intermetallischen Verbindungen oder Lithium-Metalloxiden, während das Aktivmaterial für die Kathode beispielsweise Lithium-Metall-Oxide, wie Lithiumcobaltoxid, oder Lithium-Metall-Phosphate, wie Lithiumeisenphosphate, umfasst. Der Feststoffelektrolyt umfasst beispielsweise Polymerelektrolyte, Polymer-Gel-Elektrolyte, oder Kompositmaterialien, welche anorganische Partikel enthalten können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt der Elektroden-Elektrolyt-Verbund evakuiert wird. In vorteilhafter Weise werden hierdurch Poren im Inneren der Elektrode bzw. des Aktivmaterials evakuiert, so dass keine Lufteinschlüsse im Inneren der Energiespeicherzelle verbleiben und das Eindringen des zumindest teilweise verflüssigten oder verformbaren Elektrolytmaterials in die Poren begünstigt wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt der Elektroden-Elektrolyt-Verbund gepresst wird. Das zumindest teilweise verflüssigte oder verformbare Material des Feststoffelektrolyts wird somit zusätzlich in die Poren der Elektroden gepresst. Denkbar ist, dass die Energiespeicherzelle in einem nach dem dritten Verfahrensschritt durchgeführten vierten Verfahrensschritt abgekühlt wird, wodurch der Feststoffelektrolyt wieder in den festen Phasenzustand übergeht. Es besteht neben einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Feststoffelektrolyt und der angrenzenden Elektrode sodann insbesondere auch eine formschlüssige Verbindung, da der Feststoffelektrolyt im dritten Verfahrensschritt in die Poren der Elektrode eingedrungen ist und dort verbleibt bzw. im vierten Verfahrensschritt verfestigt ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt die Elektrode durch Beschichten einer Trägerfolie mit einem Aktivmaterial hergestellt wird. Die Trägerfolie umfasst vorzugsweise eine metallische Trägerfolie, beispielsweise eine Aluminium-Folie, welche mit dem Aktivmaterial beschichtet wird. Die Trägerfolie dient insbesondere als Ableiter für die Elektrode. Denkbar ist, dass die Trägerfolie nur in einem Teilbereich mit Aktivmaterial beschichtet wird, so dass ein unbeschichteter Bereich der Trägerfolie über den aktiven Teil der Energiespeicherzelle später übersteht und als elektrischer Kontakt für die jeweilige Elektrode fungiert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in einem ersten Teilschritt des ersten Verfahrensschrittes das Aktivmaterial in einem Lösungsmittel dispergiert und/oder gelöst wird, in einem zweiten Teilschritt des ersten Verfahrensschrittes das dispergierte und/oder gelöste Aktivmaterial in einem Nassbeschichtungsverfahren auf die Trägerfolie aufgebracht wird und in einem dritten Teilschritt des ersten Verfahrensschritt ein Austrocknen des Lösungsmittels herbeigeführt wird. In vorteilhafter Weise wird somit eine kostengünstige und leicht zu implementierende Herstellung der Elektrode gewährleistet. Ferner wird eine Elektrode mit einer porösen Struktur (auch als poröse Elektrodenmorphologie bezeichnet) erzeugt. Die poröse Struktur der Elektrode erlaubt sodann ein Eindringen des zumindest teilweise verflüssigten oder verformbaren Feststoffelektrolyts in die Elektrode im dritten Verfahrensschritt. Denkbar ist, dass die Elektrode in einem vierten Teilschritt des ersten Verfahrensschrittes kalandriert wird. Hierbei wird das Aktivmaterial verdichtet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt der Feststoffelektrolyt auf die Elektrode auflaminiert und insbesondere auf die Elektrode extrudiert wird. Denkbar ist, dass der Feststoffelektrolyt mittels eines Extruders bzw. einer Schlitzdüse unmittelbar auf die insbesondere poröse Elektrodenoberfläche laminiert wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Elektroden-Elektrolyt-Verbund in einem ersten Teilschritt des dritten Verfahrensschrittes gewickelt, gestapelt und/oder gefaltet wird. In vorteilhafter Weise kann somit die gewünschte spätere Bauform der Energiespeicherzelle frei gewählt werden. Ferner werden durch die Anzahl der Wicklungen, Stapel oder Falten die Leistungsparameter der herzustellenden Energiespeicherzelle festgelegt. Denkbar ist, dass der Elektroden-Elektrolyt-Verbund vor oder nach dem Wickeln, Stapeln oder Falzen im ersten Teilschritt geschnitten wird. Auf diese Weise kann die geometrische Abmessung der Energiespeicherzelle entsprechend angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Elektroden-Elektrolyt-Verbund in einem zweiten Teilschritt des dritten Verfahrensschrittes in eine Vakuumkammer eingebracht wird und in einem dritten Teilschritt des dritten Verfahrensschrittes in der Vakuumkammer evakuiert, erhitzt und gepresst wird. In vorteilhafter Weise wird der Elektrode-Elektrolyt-Verbund innerhalb der Vakuumkammer einem Vakuum ausgesetzt, so dann erhitzt und gepresst. Vorzugsweise wird im dritten Teilschritt der Elektroden-Elektrolyt-Verbund mittels in der Vakuumkammer angeordneten beweglichen Heizplatten erhitzt und gepresst.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Energiespeicherzelle, insbesondere hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die Energiespeicherzelle wenigstens eine Elektrode und wenigstens einen auf die Elektrode auflaminierten Feststoffelektrolyten aufweist, wobei der Feststoffelektrolyt ferner formschlüssig mit der Elektrode verbunden ist. Die formschlüssige Verbindung wird insbesondere dadurch erzielt, dass der Feststoffelektrolyt mit der Elektrode derart verbunden und verpresst ist, dass Material des Feststoffelektrolyts in Poren der Elektrode eingreift. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise eine gute Anbindung zwischen dem Feststoffelektrolyt und der Elektrode erzielt.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Energiespeicherzelle, insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Vorrichtung eine Kammer zur Aufnahme eines Elektroden-Elektrolyt-Verbundes aufweist und wobei die Vorrichtung eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des in der Kammer aufgenommenen Elektroden-Elektrolyt-Verbunds aufweist. Die Vorrichtung ermöglicht in kostengünstiger Weise eine einfache und zuverlässige Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wodurch die Herstellung einer Energiespeicherzelle mit den vorgenannten Vorteilen realisierbar ist. Die Kammer umfasst vorzugsweise eine Vakuumkammer zum Evakuieren des Elektroden-Elektrolyt-Verbunds. Denkbar ist, dass die Vorrichtung einer Mehrzahl von Vakuumpumpen zum Evakuieren der Vakuumkammer aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Presseinrichtung zum Pressen des in der Kammer aufgenommenen Elektroden-Elektrolyt-Verbunds aufweist. In vorteilhafter Weise wird somit ein Eindringen des durch das Erhitzen zumindest teilweise verformbaren Feststoffelektrolyts in Poren der Elektrode ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung und die Presseinrichtung in Form wenigstens zweier, insbesondere innerhalb der Vakuumkammer angeordneten Druck- und Heizplatten ausgebildet sind, wobei zwischen den zwei Druck- und Heizplatten der Elektroden-Elektrolyt-Verbund anordenbar ist und wobei die zwei Druck- und Heizplatten zum Erhitzen des Elektroden-Elektrolyt-Verbunds jeweils erwärmbar sind und wobei und die zwei Druck- und Heizplatten zum Pressen des Elektroden-Elektrolyt-Verbundes entlang einer Hauptbewegungsrichtung aufeinander zu bewegbar sind. Durch die Druck- und Heizplatten wird in einfacher Weise das Erhitzen und Verpressen des Elektroden-Elektrolyt-Verbunds realisiert. Denkbar ist, dass die Druck- und Heizplatten entweder innerhalb der Vakuumkammer bewegbar angeordnet sind oder dass die Druck- und Heizplatten als bewegliche Wandung der Vakuumkammer fungieren. Die Vorrichtung umfasst insbesondere für jede Druck- und Heizplatte einen Antriebsmotor, um die jeweilige Druck- und Heizplatte entlang der Hauptbewegungsrichtung zu bewegen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung wenigstens einen Sensor aufweist, wobei der Sensor vorzugsweise einen Druck- und/oder Temperatursensor zur Messung des Druckes und/oder der Temperatur in der Vakuumkammer aufweist. In vorteilhafter Weise ist somit eine Kontrolle des Druckes und/oder Temperatur in der Vakuumkammer möglich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Steuereinheit aufweist, welche zur Steuerung der Heizeinrichtung und der Presseinrichtung vorgesehen ist. Vorzugsweise ermöglich die Steuereinheit eine Steuerung der Heizeinrichtung und der Presseinrichtung in Abhängigkeit des Drucks und der Temperatur, welche mittels des wenigstens einen Sensors gemessen werden. Ferner ermöglicht die Steuereinheit insbesondere ein Abfahren eines bestimmten Temperatur- und/oder Druckprofils im Inneren der Vakuumkammer. Denkbar ist beispielsweise, dass somit ein schrittweises Aufheizen, ein Abfahren von Rampen und/oder Plateaus oder dergleichen ermöglicht wird.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1a bis 1c zeigen schematisch einzelne Verfahrensschritte des Verfahrens zur Herstellung einer Energiespeicherzelle, sowie eine schematische Ansicht der Energiespeicherzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt schematisch einen Verfahrensschritt zum Erhitzen, Verpressen und Evakuieren der Energiespeicherzelle gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle, sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer Energiespeicherzelle gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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Die 1a, 1b und 1c zeigen schematisch einzelne Verfahrensschritte des Verfahrens zur Herstellung einer Energiespeicherzelle 1, sowie eine schematische Ansicht der Energiespeicherzelle 1 (1c) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1a sind ein erster und ein zweiter Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung der Energiespeicherzelle 1 dargestellt. Im ersten Verfahrensschritt wird zunächst eine flächige Trägerfolie 5 bereitgestellt, welche im vorliegenden Beispiel eine Metallfolie umfasst, und anschließend zur Bildung einer Elektrode 2 mit einem Aktivmaterial 6 beschichtet. Je nachdem, ob die Elektrode 2 später als Anode 6' oder Kathode 6'' der Energiespeicherzelle 1 fungieren soll, wird eine entsprechende Trägerfolie 5 und entsprechendes Aktivmaterial 6 gewählt. Zum Aufbau der Anode 6' wird beispielsweise eine auf Kupfer basierende Trägerfolie 5 verwendet, während zum Aufbau der Kathode 6'' eine auf Aluminium basierende Kathode Verwendung findet. Das Aktivmaterial 6 besteht für die Anode 6' beispielsweise aus Lithium, Graphit, lithiumhaltigen Legierungen, lithiumhaltigen intermetallischen Verbindungen oder Lithium-Metalloxiden, während das Aktivmaterial 6 für die Kathode 6'' beispielsweise Lithium-Metall-Oxide, wie Lithiumcobaltoxid, oder Lithium-Metall-Phosphate, wie Lithiumeisenphosphate, umfasst. Das Aktivmaterial 6 wird insbesondere im Rahmen eines Nassbeschichtungsverfahrens in einem ersten Teilschritt des ersten Verfahrensschrittes zunächst mit einem Lösungsmittel dispergiert und/oder gelöst und in einem zweiten Teilschritt des ersten Verfahrensschrittes auf die Trägerfolie 5 aufgetragen. In einem dritten Teilschritt des ersten Verfahrensschrittes wird anschließend das Lösungsmittel ausgetrocknet, um eine poröse Elektrodenmorphologie zu erhalten. Das Aktivmaterial 6 derjenigen Elektrode 2, die später als Anode 6' fungieren soll, unterscheidet sich vom Aktivmaterial 6 für die Kathode 6''. In 1a sind deshalb zwei Elektroden 2, eine für die Anode 6' und eine für die Kathode 6'', dargestellt, welche abgesehen von der Wahl des Aktivmaterials 6 analog gefertigt werden. Die Trägerfolie 5 fungiert später als Ableiter für die jeweilige Elektrode 2. Aus diesem Grund ist das Aktivmaterial 6 jeweils nur in einem Teilbereich der Trägerfolie 5 angeordnet. Ein Randbereich der Trägerfolie 5 steht zumindest an einer Seite der späteren Energiespeicherzelle 1 über den Aktivbereich 6 hinaus und fungiert als elektrischer Kontaktierungsbereich. Denkbar ist, dass die Elektroden 2 in einem vierten Teilschritt des ersten Verfahrensschrittes kalandriert werden, damit sich das jeweilige Aktivmaterial 6 verdichtet und somit eine gleichbleibende Elektrodendicke erzeugt wird.
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Anhand von 1b wird ein auf den ersten Verfahrensschritt folgender zweiter Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung der Energiespeicherzelle 1 erläutert. Im zweiten Verfahrensschritt werden die in 1a gezeigten Elektroden 2 jeweils mit einem Feststoffelektrolyten 3 beschichtet. Der Feststoffelektrolyt 3 wird auf das jeweilige Aktivmaterial 6 sowohl bei der Anode 6', als auch bei der Kathode 6'' auflaminiert und auf diese Weise jeweils ein Elektroden-Elektrolyt-Verbund 4 erzeugt. Der Feststoffelektrolyt 3 wird dabei insbesondere mittels Extruder oder Schlitzdüse direkt auf die poröse Elektrodenoberfläche laminiert. Später dient der Feststoffelektrolyt 3 zum Ionenaustausch zwischen den Elektroden 2 (eigentliche Aufgabe des Elektrolyt), sowie zur geometrischen Beabstandung der Elektroden 2 und zugehörigen Gegenelektrode (eigentlich die Aufgabe des Separators). Ein Separator kann somit eingespart werden. Der Feststoffelektrolyt 3 umfasst beispielsweise Polymerelektrolyte, Polymer-Gel-Elektrolyte, oder Kompositmaterialien, welche anorganische Partikel enthalten können. Zur Illustration ist in 1b auf jede Elektrode 2 ein Feststoffelektrolyt 3 aufgetragen. Es wird im zweiten Verfahrensschritt der Feststoffelektrolyt 3 aber insbesondere nur auf eine der beiden Elektroden 2, entweder die Anode 6' oder die Kathode 6'', aufgetragen, damit beim Stapeln der Elektroden 2 im nachfolgenden dritten Verfahrensschritt (siehe 1c) immer nur genau ein Feststoffelektrolyt 3 zwischen Anode 6' und Kathode 6'' angeordnet ist.
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In 1c ist die Energiespeicherzelle 1 schematisch dargestellt, wobei ferner ein dritter Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung der Energiespeicherzelle 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform illustrativ erläutert wird. In einem ersten Teilschritt des dritten Verfahrensschrittes werden eine Mehrzahl von Elektroden-Elektrolyt-Verbunde 4 jeweils gefaltet, gestapelt und/oder geschnitten, so dass ein Stapel entsteht, bei welchem zwischen jeder Anode 6' und jeder Kathode 6'' jeweils ein Feststoffelektrolyt 3 angeordnet ist. Die Geometrie des Stapels entspricht im Wesentlichen der späteren Zellbauform. In einem zweiten Teilschritt des dritten Verfahrensschrittes wird der Stapel aus Elektroden-Elektrolyt-Verbunde 4 evakuiert, erhitzt und gepresst. Das Vakuum dient dazu, die Poren der mit einer porösen Elektrodenmorphologie versehenden Elektroden 2 zu evakuieren. Der Stapel wird sodann soweit erhitzt, bis das Material des Feststoffelektrolyts 3 zumindest teilweise in die flüssige Phase übergeht oder verformbar wird. Durch das Vakuum, die Wärme und den mechanischen Druck dringt das flüssige Material des Feststoffelektrolyts 3 jeweils in die Poren der Elektroden 2 ein. Nach dem Erkalten erhält man somit eine Energiespeicherzelle 1, welche eine stoffschlüssige sowie formschlüssige Verbindung zwischen dem Feststoffelektrolyt 3 und den jeweiligen Elektroden 2 aufweist und bei welcher im Gegensatz zum Stand der Technik während des Herstellungsverfahrens zu keinem Zeitpunkt die Gefahr einer unkontrollierten Durchmischung von flüssigem Feststoffelektrolyt 3 mit flüssigem Aktivmaterial 6 besteht. Insbesondere wird somit verhindert, dass die Energiespeicherzelle 1 eine verminderte Leistungsdichte oder gar einen elektrischen Kurzschluss aufweist. Die Randbereiche der Trägerfolie 5 stehen aus der Energiespeicherzelle 1 hervor und dienen als Ableiter für die Elektroden 2. Optional wird die Energiespeicherzelle 1 anschließend gewickelt, gestapelt und/oder mit weiteren Energiespeicherzellen 1 in Serie oder parallel zu größeren Energiespeichereinheiten verschaltet.
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In 2 ist schematisch der dritte Verfahrensschritt gemäß des Verfahrens zur Herstellung der Energiespeicherzelle 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, sowie eine Vorrichtung 10 zur Herstellung einer Energiespeicherzelle 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Die Energiespeicherzelle 1 wird in einer Vakuumkammer 7 der Vorrichtung 10 im Rahmen des dritten Verfahrensschrittes evakuiert, erhitzt und verpresst wird. Zunächst werden im zweiten Teilschritt die Elektroden-Elektrolyt-Verbünde 4 in der Vakuumkammer 7 zu einem Stapel angeordnet oder ein Stapel von Elektroden-Elektrolyt-Verbünden 4 in die Vakuumkammer 7 eingebracht. Der Stapel wird sodann in der Vakuumkammer 7 evakuiert. Ferner wird der Stapel innerhalb der Vakuumkammer 7 senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Elektroden 2 mittels zweier Druck- und Heizplatten 8 der Vorrichtung 10 soweit erhitzt und zusammengepresst (siehe Pfeile 9), dass die Feststoffelektrolyte 3 in die flüssige Phase übergehen oder zumindest verformbar werden und das Elektrolytmaterial aufgrund des äußeren Drucks jeweils in die Poren der Elektroden 2 eindringt. Die beiden Druck- und Heizplatten 8 werden dabei entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene ausgerichteten Hauptbewegungsrichtung linear aufeinander zu bewegt. Die Druck- und Heizplatten 8 fungieren somit als Heizeinrichtung, sowie als Presseinrichtung für den zwischen den beiden Druck- und Heizplatten 8 angeordneten Elektroden-Elektrolyt-Verbund 4. Denkbar ist, dass die Druck- und Heizplatten 8 entweder innerhalb der Vakuumkammer 7 bewegbar angeordnet sind oder dass die Druck- und Heizplatten 8 als bewegliche Wandung der Vakuumkammer 7 fungieren. Die Vorrichtung 10 weist optional einen Druck- und Temperatursensor zur Messung des Druckes und der Temperatur in der Vakuumkammer 7, sowie eine Steuereinheit zur Steuerung der Temperatur und des Druckes der Druck- und Heizplatten 8 auf. Die Steuereinheit ermöglicht insbesondere ein Abfahren eines bestimmten Temperatur- und/oder Druckprofils im Inneren der Vakuumkammer 10.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiespeicherzelle
- 2
- Elektrode
- 3
- Feststoffelektrolyt
- 4
- Elektroden-Elektrolyt-Verbund
- 5
- Trägerfolie
- 6
- Aktivmaterial
- 6'
- Anode
- 6''
- Kathode
- 7
- Vakuumkammer
- 8
- Druck- und Heizplatten
- 9
- Kraftrichtung
- 10
- Vorrichtung
