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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. Die Herstellung der Elektroden einer Lithium-Ionen-Batterie stellt einen der Kernschritte in der Batterieherstellung dar. Hierbei werden Aktivmaterialien zur Bildung jeweils der Anode und der Kathode auf eine Trägerschicht aufgebracht und der entstehende Verbund anschließend kalandriert. Nachfolgend wird zur Bildung der Energiespeicherzelle ein Separator und/oder Elektrolyt zwischen die Anode und die Kathode eingebracht und die entsprechenden Lagen anschließend gestapelt bzw. gewickelt.
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Nachteilig an solchen bekannten Herstellungsverfahren ist, dass beim Kalandrieren der herzustellenden Energiespeicherzelle mechanische Spannungen im Zellmaterial auftreten, welche das Formen der Elektroden erschweren und insbesondere die Gefahr bergen, dass sich Risse und Defekte ausbilden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Energiespeicherzelle bereitzustellen, welches eine einfache, kostengünstige und zuverlässige Herstellung von qualitativ hochwertigen Energiespeicherzellen erlaubt und insbesondere ein Auftreten von Spannungen im Bereich der Elektroden verhindert.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Energiespeicherzelle mit den Schritten: Bereitstellen eines Trägermaterials in einem ersten Verfahrensschritt, Beschichten des Trägermaterial mit einem Aktivmaterial in einem zweiten Verfahrensschritt und Herstellen einer Elektrode durch Verdichten des beschichteten Trägermaterials in einem dritten Verfahrensschritt, wobei im ersten Verfahrensschritt ein Trägermaterial bereitgestellt wird, welches wenigstens in einem Teilbereich einen Materialspeicher aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass beim Verdichten des beschichteten Trägermaterials keine mechanischen Spannungen zwischen den mit Aktivmaterial beschichteten Bereichen und unbeschichteten, d.h. nicht mit Aktivmaterial beschichteten Bereichen auftreten, da etwaige mechanische Spannungsunterschiede im Trägermaterial durch Material aus dem Materialspeicher unmittelbar kompensiert werden. Hierdurch wird die Gefahr ausgeräumt, dass sich im Trägermaterial während des Herstellungsverfahrens Defekte, wie beispielsweise Spannungsrisse, ausbilden. Der Ausschuss von Energiespeicherzellen mit herstellungsbedingten Fehlern wird somit erheblich reduziert, wodurch sich insgesamt auch die Herstellungskosten verringern. Ferner wird die Gefahr ausgeräumt, dass sich die Elektrode aufgrund der im Trägermaterial ausgebildeten mechanischen Spannungen krümmt oder verbiegt und somit ein etwaig nachfolgender Formungsprozess der Elektrode beeinträchtigt oder erschwert wird. Die Materialspeicher lassen sich in einfacher Weise in das Herstellungsverfahren integrieren und somit die Qualität der Energiespeicherzellen hinsichtlich elektrischer Eigenschaften und kalendarischer Lebensdauer, sowie Zyklenfestigkeit maßgeblich verbessern. Die Elektrode ist insbesondere für eine als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildete Energiespeicherzelle vorgesehen. Denkbar wäre aber auch, dass die Energiespeicherzelle einen Kondensator, beispielsweise einen Doppelschichtkondensator (auch als Supercaps bezeichnet) oder einen Pseudokondensator umfasst. Das Trägermaterial umfasst vorzugsweise eine metallische Trägerfolie, beispielsweise eine Aluminium-Folie. Das Aktivmaterial besteht für die Anode beispielsweise aus Graphit, Lithium-legiertem Material oder Intermetallen, während das Aktivmaterial für die Kathode beispielsweise Lithium-Metall Oxide, Vanadium Oxide, Olivine und wiederaufladbare Lithium Oxide beinhaltet.
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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 in einem ersten Teilschritt des ersten Verfahrensschritts ein flächiges Trägermaterial bereitgestellt wird und in einem zweiten Teilschritt des ersten Verfahrensschrittes eine Struktur als Materialspeicher in das flächige Trägermaterial eingebracht wird. Vorzugsweise wird im zweiten Teilschritt eine Struktur in Form von einzelnen Vertiefungen und/oder Erhebungen in das flächige Trägermaterial, insbesondere mittels einer Prägewalzvorrichtung, eingeprägt. In vorteilhafter Weise fungiert die Struktur als Materialspeicher, so dass sich das Trägermaterial in diesen Bereich einfacher ziehen lässt. Hierbei werden die im zweiten Teilschritt in das Trägermaterial eingebrachten Vertiefungen und/oder Erhebungen im dritten Verfahrensschritt zumindest teilweise wieder aus dem Trägermaterial herausgezogen. Denkbar ist beispielsweise, dass das beschichtete Trägermaterial beim Verdichten derart gepresst wird, dass nicht nur das Aktivmaterial verdichtet wird, sondern auch eine plastische Verformung des Trägermaterials eintritt. Hierdurch wird das Trägermaterial im beschichteten Bereich gestreckt. Die Strukturierung des unbeschichteten Teilbereichs sorgt nun dafür, dass sich das Trägermaterial auch im unbeschichteten Bereich strecken kann. Ein Auftreten von mechanischen Spannungen zwischen dem beschichteten bzw. verdichteten Bereich und dem unbeschichteten bzw. nicht verdichteten Bereich des Trägermaterials wird somit vermieden bzw. die auftretenden mechanischen Spannungen erheblich reduziert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im zweiten Teilschritt die Struktur in einen Bereich des Trägermaterials eingebracht wird, welcher im zweiten Verfahrensschritt unbeschichtet bleibt, vorzugsweise wird die Struktur in einen Randbereich des Trägermaterials eingebracht. Die Strukturen werden insbesondere lediglich in den (später) unbeschichteten Randbereich des Trägermaterials eingebracht, so dass die Zellfunktionalität durch die Strukturen nicht geändert oder beeinträchtigt wird. Die Strukturen sind somit insbesondere in später als Ableiter fungierenden Bereichen der jeweiligen Elektrode ausgebildet. Auf diese Weise wird verhindert, dass beim Formungsprozess Spannungen zwischen den Ableitern und den Elektroden auftreten, wodurch verhindert wird, dass der unbeschichtete Bereich beim Formen wellig wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt das beschichtete Trägermaterial kalandriert wird. Das auf das Trägermaterial aufgebrachte Aktivmaterial wird dabei insbesondere unter hohem Druck verdichtet, um eine gewünschte Porosität des Materials und eine gute Haftung an dem Trägermaterial herzustellen. Das Verdichten kann mit derart hohen Linienlasten, bspw. größer als 1000 N/mmm, erfolgen, dass nicht nur das Aktivmaterial, sondern auch die Trägerfolie plastisch verformt wird. Optional wird das beschichtete Trägermaterial während oder nach dem Kalandrieren erhitzt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt das Trägermaterial im Nassbeschichtungsverfahren mit dem Aktivmaterial beschichtet wird. Vorzugsweise wird das Aktivmaterial im Nassbeschichtungsverfahren mit anschließender Austrocknung der Lösungsmittel auf das Trägermaterial aufgebracht, um eine poröse Elektrodenmorphologie zu erhalten. Denkbar ist, dass durch Zugabe eines Lösungsmittels eine Aktivmaterialsuspension erzeugt wird, welche beispielsweise mittels eines Spritzverfahrens auf das Trägermaterial aufgetragen wird. Alternativ kann das Aktivmaterial auch auf das Trägermaterial extrudiert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in einem vierten Verfahrensschritt Elektrodenbänder durch Schneiden des beschichteten Trägermaterials hergestellt werden. Denkbar ist, dass im zweiten Verfahrensschritt zwei Folien aus Trägermaterial mit Aktivmaterial beschichtet werden, wobei das Aktivmaterial zwischen den zwei Folien angeordnet wird. Im vierten Verfahrensschritt wird dieser Verbund geteilt, indem durch das Aktivmaterial geschnitten wird. Auf diese Weise werden zwei Elektrodenbänder bzw. Elektroden erzeugt, welche jeweils eine mit Aktivmaterial beschichtete Seite aufweisen. Je nach Auswahl des Aktivmaterials handelt es sich dabei um eine Anode oder eine Kathode. Das Vorsehen der Materialspeicher sorgt dafür, dass sich die Elektrodenbänder nach dem Schneiden nicht durch interne mechanische Spannungen im Trägermaterial verziehen oder wellen, wodurch eine Weiterverarbeitung erheblich erschwert würde.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in einem fünften Verfahrensschritt die Elektrodenbänder gewickelt und/oder gestapelt werden, wobei im fünften Verfahrensschritt vorzugsweise zwei durch wenigstens ein Separatorband separierte Elektrodenbänder ineinander gewickelt und/oder übereinander gestapelt werden. Im fünften Verfahrensschritt wird durch Wickeln und/oder Stapeln wenigstens zweier Elektrodenbänder und wenigstens einem Separatorenband (vorzugsweise wenigstens zwei Separatorenbänder) eine Energiespeicherzelle hergestellt, welche anschließend nur noch mit einem Elektrolyt versehen bzw. gefüllt werden muss. Das vorliegende Verfahren könnte demnach auch als Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle betrachtet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt das Trägermaterial abwechselnd mit Aktivmaterial beschichtet wird und unbeschichtet verbleibt, so dass eine streifenförmige Struktur aus beschichteten Bereichen und unbeschichteten Bereichen entsteht. Im vierten Verfahrensschritt werden dann mehrere Schnitte entlang der Streifen durchgeführt, so dass eine Mehrzahl von Elektrodenbändern entsteht. Auf diese Weise wird eine kostengünstige Herstellung vieler Elektrodenbänder erzielt.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrode, insbesondere hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, für eine Energiespeicherzelle, wobei die Energiespeicherzelle ein Trägermaterial aufweist, welches einen mit einem Aktivmaterial beschichteten Bereich und einen unbeschichteten Bereich aufweist, wobei im unbeschichteten Bereich ein Materialspeicher angeordnet ist.
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Das Vorsehen eines Materialspeichers im Trägermaterial hat vorteilhafterweise dafür gesorgt, dass bei der Herstellung der Elektrode keine oder nur deutlich weniger mechanische Spannungen im Trägermaterial entstehen. Die Gefahr von verborgenen Defekten oder Spannungsrissen in der Elektrode, die während des Herstellungsverfahrens hervorgerufen werden, ist somit erheblich reduziert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Materialspeicher eine Struktur aus Vertiefungen und/oder Erhebungen umfasst, welche insbesondere vorzugsweise zumindest teilweise wieder aus dem Trägermaterial herausgezogen sind. Das Herausziehen der Strukturen hat dafür gesorgt, dass etwaige während des Herstellungsverfahrens hervorgerufene mechanische Spannungen im Trägermaterial schon während des Herstellungsverfahrens auch wieder abgebaut wurden. Insbesondere weist die fertige Energiespeicherzelle somit keine mechanischen Spannungen mehr zwischen den mit Aktivmaterial beschichteten Elektrodenbereichen (Anode oder Kathode) und ihren nicht mit Aktivmaterial beschichteten Ableiterbereichen auf, wobei sich das Trägermaterial einstückig sowohl durch die beschichteten, als auch durch die unbeschichteten Bereiche erstreckt. Vorzugsweise ist die Struktur nur in einem als Ableiter fungierenden Randbereich des Trägermaterials ausgebildet. Auf diese Weise wird verhindert, dass durch die Ausbildung der Strukturen die innere Zellgeometrie verändert 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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1 zeigt einen schematischen Ausschnitt einer Elektrode während eines Verfahrens zur Herstellung der Elektrode, insbesondere nach einem Kalandrierungsschritt, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2a bis 2c zeigen schematische Ansichten von Elektrodenbändern der Energiespeicherzelle vor und nach einem Zerteilungsschritt.
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3 und 4 zeigen die Strukturen des Trägermaterials einer Elektrode gemäß einer 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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In 1 wird ein schematischer Ausschnitt einer Vorläuferstruktur einer herzustellenden Elektrode 1 während eines Verfahrens zur Herstellung der Elektrode 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, dargestellt. Zur Erzeugung dieser Vorläuferstruktur werden zunächst ein erster und ein zweiter Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung der Elektrode 1 durchgeführt. Im ersten Verfahrensschritt werden zunächst ein flächiges Trägermaterial 2 bereitgestellt, welches im vorliegenden Beispiel eine Metallfolie umfasst (erster Teilschritt des ersten Verfahrensschrittes). Anschließend wird die Metallfolie mit einer als Materialspeicher fungierenden Struktur 4 versehen (zweiter Teilschritt des ersten Verfahrensschrittes).
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Die Struktur 4 besteht aus einer Mehrzahl von Vertiefungen 11 und/oder Erhebungen 10 (siehe 3 und 4), welche in die Metallfolie beispielsweise mittels einer Prägewalzvorrichtung eingeprägt werden. Die eingeprägten Strukturen 4 haben dabei vorzugsweise eine Tiefe von nur einigen Hundertstel bis wenige Zehntel Millimeter und sind daher in 1 nicht illustriert. Die Struktur 4 wird dabei nur in einen Randbereich 5 des Trägermaterials 2 eingebracht, welcher im nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt nicht mit Aktivmaterial 3 beschichtet werden soll. Im zweiten Verfahrensschritt wird das Trägermaterial 2 beidseitig mit einem Aktivmaterial 3 beschichtet.
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Das Aktivmaterial 3 wird insbesondere im Rahmen eines Nassbeschichtungsverfahrens zunächst mit einem Lösungsmittel verflüssigt und auf das Trägermaterial 2 gespritzt, wobei anschließend das Lösungsmittel ausgetrocknet wird, um eine poröse Elektrodenmorphologie zu erhalten. Je nachdem, ob eine Anode oder Kathode als Elektrode 1 hergestellt werden soll, wird ein entsprechendes Aktivmaterial 3 verwendet. Das Aktivmaterial 3 ist jeweils nur in einem Aktivbereich 6 des Trägermaterials 2 angeordnet, welche keine Struktur 4 aufweist. Im Randbereich 5, in welchem die Struktur 4 ausgebildet ist, weist das Trägermaterial 2 keine Beschichtung durch Aktivmaterial 3 auf (siehe 4).
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In einem nachfolgenden dritten Verfahrensschritt wird das Trägermaterial 2 im mit Aktivmaterial 3 beschichteten Aktivbereich 6 kalandriert. Dabei wird das Trägermaterial 2 im mit Aktivmaterial 3 beschichteten Aktivbereich 6 mit hohem Druck gepresst, damit das Aktivmaterial 3 verdichtet wird, während das Trägermaterial 2 im angrenzenden unbeschichteten Randbereich 5 nicht verdichtet wird. Beim Verdichten wird aufgrund des hohen Drucks das Trägermaterial 2 plastisch verformt. Diese Verformung im Aktivbereich 6 würde zu mechanischen Spannungen zwischen dem Aktivbereich 6 und dem Randbereich 5 führen, wenn nicht im Randbereich 5 Materialspeicher in Form der Struktur (nicht illustriert) eingebracht wären, welche dafür sorgen, dass sich das Trägermaterial 2 auch im Randbereich 5 leichter ziehen lässt. Die plastische Verformung im Aktivbereich 6 führt daher auch zu einer entsprechenden Verformung des Randbereichs 5, so dass sich keine nennenswerten oder nur geringere mechanischen Spannungen aufbauen.
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In 2a ist ein schematischer Ausschnitt einer ähnlichen Vorläuferstruktur einer herzustellenden Elektrode 1 während eines Verfahrens zur Herstellung der Elektrode 1 dargestellt. Bei der in 2a bis 2c verwendeten Vorläuferstruktur ist das Aktivmaterial 3 zwischen zwei flächigen Trägermaterialien 2 angeordnet. Nach dem Kalandrieren im Rahmen des dritten Verfahrensschrittes wird die in 2a gezeigte Vorläuferstruktur im Bereich des Aktivmaterials 3 in einem vierten Verfahrensschritt mittig geteilt, um zwei separate Elektrodenbänder zu erhalten. Jedes der beiden Elektrodenbänder weist dann genau ein flächiges Trägermaterial 2 auf, welches nur einseitig mit Aktivmaterial 3 beschichtet ist.
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In 2b ist nun eine Vorläuferstruktur mit einem Trägermaterial 2 gezeigt, welche in einem Randbereich 5 strukturiert ist (nicht abgebildet), während zum Vergleich in 2c ein Trägermaterial 2 ohne Materialspeicher verwendet wurde. Es ist zu erkennen, dass in 2c durch den fehlenden Materialspeicher eine mechanische Spannung zwischen Randbereich 5 und Aktivbereich 6 entsteht, welcher dazu führt, dass sich das Elektrodenband nach dem Zerteilen krümmt. Die Krümmung der Elektrodenbänder ist beispielsweise bei einem anschließenden Wickeln zu Elektrodenwickeln, wie sie häufig in Batteriezellen zu finden sind, prozessseitig kritisch, da einerseits ein geradliniges Aufwickeln erschwert wird und sich andererseits unterschiedliche Packungsdichten im Elektrodenwickel über die Wickelbreite und damit lokal unterschiedliche mechanische Stresseinwirkungen auf die Elektroden ergeben. Ferner wird der unbeschichtete Randbereich 5 wellig, wodurch ein elektrisches Kontaktieren dieses vorzugsweise als Ableiter fungierenden Elektrodenbereichs erschwert wird. Die Strukturierung bei dem in 2b gezeigten Trägermaterial 2 führt dazu, dass sich der Randbereich 5 leichter ziehen lässt und somit an die während des Kalandrierens plastisch verformten Aktivbereich 6 anpasst. Die mechanischen Spannungen im Trägermaterial 2 werden hierdurch um Größenordnungen reduziert, so dass – wie in 2b illustriert – keine Krümmung des Elektrodenbands eintritt.
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Denkbar wäre auch, dass im zweiten Verfahrensschritt das Trägermaterial 2 in abwechselnd mit Aktivmaterial 3 beschichtet wird und unbeschichtet bleibt, so dass eine streifenförmige Struktur aus beschichteten Bereichen und unbeschichteten Bereichen entsteht. Im vierten Verfahrensschritt werden dann mehrere Schnitte entlang der Streifen durchgeführt, so dass eine Mehrzahl von Elektrodenbändern entsteht.
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In 3 ist eine schematische Schnittbildansicht der im Randbereich 5 des Trägermaterials 2 ausgebildeten Struktur 4 dargestellt. In der oberen Darstellung sind die im zweiten Teilschritt in das Trägermaterial 2 geprägten Erhebungen 10 und Vertiefungen 11 gezeigt, welche dazu führen, dass sich das Trägermaterial 2 entlang seiner Haupterstreckungsebene leichter ziehen lässt (siehe Pfeile). Der Randbereich 5 kann sich somit während des Kalandrierens der Elektroden 1 (dritter Verfahrensschritt) mit der plastischen Verformung im Aktivbereich 6 mitbewegen. In der unteren Darstellung ist gezeigt, dass sich hierdurch die Erhebungen 10 und die Vertiefungen 11 im dritten Verfahrensschritt zumindest teilweise wieder aus dem Trägermaterial 2 herausziehen, da der Materialspeicher entsprechend aufgebraucht wird.
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In 4 ist ferner eine Aufsichtsdarstellung der im Randbereich 5 des Trägermaterials 2 ausgebildeten Struktur 4 aus Erhebungen 10 und Vertiefungen 11, sowie des im Aktivbereich 6 des Trägermaterials 2 auflaminierten Aktivmaterials 3 gezeigt. Die Erhebungen 10 und Vertiefungen 11 sind vorzugsweise in einem gleichmäßigen Muster über den Randbereich 5 verteilt. Der Randbereich 5 dient bei der späteren Energiespeicherzelle insbesondere als Ableiter für die Elektrode 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrode
- 2
- Trägermaterial
- 3
- Aktivmaterial
- 4
- Struktur
- 5
- Randbereich
- 6
- Aktivbereich
- 10
- Erhebungen
- 11
- Vertiefungen
