DE102014009623A1

DE102014009623A1 - Verfahren zur Herstellung einer Batterie und Befüllvorrichtung

Info

Publication number: DE102014009623A1
Application number: DE102014009623.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hintennach
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2015-12-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie, wobei ein Elektrolytgemisch (3) mittels einer Befüllvorrichtung (2) auf zumindest eine Oberflächenseite einer Elektrode (1) und/oder eines Separators aufgebracht wird. Dabei ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit einer Menge des aufzubringenden Elektrolytgemischs (3) eine Position der Befüllvorrichtung (2) oder zumindest eine Position einer das Elektrolytgemisch (3) aufbringenden Komponente der Befüllvorrichtung (2) relativ zur Elektrode (1) und/oder zum Separator in drei Achsen (x, y, z) eingestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Befüllvorrichtung (2) zur Herstellung einer Batterie.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Befüllvorrichtung.
Aus der DE 10 2012 213 111 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Folienstapel-Prepregs zur Bildung einer Lithium-Ionen-Zelle bekannt, bei dem das Folienmaterial für Kathode und Anode sowie elektrolytgetränkter Separatorfolie vollflächig aufeinandergelegt wird und die Prägung eines Faltmusters mit alternierend angeordneten Prägestellen sowie variablen Walzengeschwindigkeiten zu einer definierten Faltung des Folienmaterials führt.
Weiterhin ist aus der WO 2001/91222 A1 eine Lithium-Ionen-Batterie sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt, wobei die Lithium-Ionen-Batterie einen porösen Polymerelektrolyten umfasst, welcher mittels einer Sprühvorrichtung auf die Elektroden aufgebracht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Batterie sowie eine Befüllvorrichtung anzugeben, mittels der eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batterie herstellbar ist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und hinsichtlich der Befüllvorrichtung mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Batterie wird ein Elektrolytgemisch mittels einer Befüllvorrichtung auf zumindest eine Oberflächenseite einer Elektrode und/oder eines Separators aufgebracht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit einer Menge des aufzubringenden Elektrolytgemischs eine Position der Befüllvorrichtung oder zumindest eine Position einer das Elektrolytgemisch aufbringenden Komponente der Befüllvorrichtung relativ zur Oberflächenseite der Elektrode und/oder des Separators in drei Achsen eingestellt wird.
Das Verfahren eignet sich zur Befüllung und/oder Benetzung von Batterieelektroden und/oder Separatoren in Batteriezellen, insbesondere in Metall-Ionen-, Metall-Schwefel- oder Metall-Luft-Batterien. Dadurch, dass eine Position der Befüllvorrichtung beliebig in drei Achsen einstellbar ist, kann eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich höhere Homogenität beim Aufbringen des Elektrolytgemischs erzielt werden. Die Befüll- und/oder Benetzungsqualität kann somit effizient gesteuert werden, wodurch eine Menge des aufzubringenden Elektrolytgemischs bereits vor dem Herstellverfahren sehr genau ermittelt werden kann. Damit lassen sich Kosten zur Herstellung der Batterie gegenüber dem Stand der Technik verringern, wobei gleichzeitig eine Lebensdauer der Elektrolytflüssigkeit erhöht wird, so dass eine Nachbenetzung reduziert oder gar vermieden werden kann. Auch können mittels des Verfahrens Elektrolyte und/oder Additive mit einer hohen Viskosität, insbesondere welche bei einem fehlerhaften Betrieb der Batterie weniger störanfällig sind, auf die Elektrodenfläche und/oder Separatorfläche bei gleichzeitig homogener Befüllung und/oder Benetzung der Elektrodenfläche und/oder Separatorfläche aufgebracht werden. Darüber hinaus ist mittels des Verfahrens eine Zeitdauer der Befüllung und/oder Benetzung der Elektrode gegenüber dem Stand der Technik signifikant verringerbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Elektrode und eine Befüllvorrichtung.
Zur besseren Veranschaulichung ist hierbei ein dreidimensionales Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z dargestellt.
Die einzige 1 zeigt eine Elektrode 1 (alternativ kann ein Separator vorgesehen sein) einer nicht näher dargestellten Batterie, insbesondere einer Metall-Ionen-, Metall-Schwefel- oder Metall-Luft-Batterie, und eine Befüllvorrichtung 2, die relativ zur Elektrode 1 in Richtung der x-, y- und z-Achsen positioniert ist und mittels der ein ionenleitfähiges Elektrolytgemisch 3 auf eine Oberflächenseite der Elektrode 1 aufgebracht wird.
Die Elektrode 1 kann eine Anode oder eine Kathode der Batterie sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 1 folienartig ausgebildet und beispielsweise durch Tiefziehen eines Metallblechs, z. B. ein Kupferblech oder ein Aluminiumblech, hergestellt, weiches anschließend beschichtet wird, beispielsweise mit einer Kohlenstoffstruktur.
Die Befüllvorrichtung 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in z-Richtung über der Elektrode 1 angeordnet und umfasst eine Düse, in der das Elektrolytgemisch 3 angeordnet ist. Die Befüllvorrichtung 2 kann zusätzlich weitere Düsen umfassen, in denen jeweils eine entsprechende Menge an Elektrolytgemisch 3 angeordnet ist.
Das Elektrolytgemisch 3 wird hierbei in einer entsprechenden Sprühnebelform auf die Oberflächenseite der Elektrode 1 aufgesprüht. Die Düse umfasst dazu mehrere Auslassöffnungen, aus denen das Elektrolytgemisch 3 austreten kann. Das Elektrolytgemisch 3 liegt vorzugsweise als Elektrolytflüssigkeit vor, welche z. B. aus Lithiumhexafluorophosphat und gegebenenfalls Additiven, hergestellt ist. Die aufgesprühte Elektrolytflüssigkeit dringt dabei zumindest teilweise in die poröse Oberflächenseite der Elektrode 1 ein, so dass ein Ionenaustausch zwischen den Elektroden 1 im späteren Betrieb der Batterie möglich ist.
Um eine möglichst homogene Befüllung und/oder Benetzung der Elektrode 1 zu ermöglichen, ist eine Position der Befüllvorrichtung 2 und insbesondere eine Position der Düse der Befüllvorrichtung 2 relativ zur Elektrode 1 in Richtung der x-, y- und z-Achsen einstellbar. Vorzugsweise wird bereits vor dem Befüllen und/oder Benetzen der Elektrode 1 eine erforderliche Menge des Elektrolytgemischs 3 ermittelt. Die Düse wird anschließend entsprechend in Richtung der x-, y- und/oder z-Achsen zur Elektrode 1 positioniert. Dies erfolgt vorzugsweise automatisch, z. B. mittels sensorischer Steuerung. Alternativ oder zusätzlich kann diese Einstellung auch manuell erfolgen.
Die Positionseinstellung kann zusätzlich in Abhängigkeit einer gewünschten Sprühnebelform erfolgen. Dazu sind beispielsweise die Auslassöffnungen der Düse steuerbar, wobei eine bestimmte Anzahl von Auslassöffnungen geöffnet oder geschlossen werden. Die Düse selbst ist beispielsweise hydraulisch ansteuerbar. Die Sprühnebelform ist hierbei insbesondere in Abhängigkeit einer Viskosität des Elektrolytgemischs 3 zu bestimmen. Somit können auch Elektrolyte und/oder Additive mit einer hohen Viskosität aufgebracht werden. Die Befüllvorrichtung 2 ist somit unabhängig von einer Viskosität des Elektrolytgemischs 3 einsetzbar.
Umfasst die Befüllvorrichtung 2 mehr als eine Düse, so kann eine Position jeder Düse separat eingestellt werden. Vorzugsweise wird die Befüllung und/oder Benetzung der Elektrode 1 überwacht, z. B. mittels einer Kamera. Damit ist es möglich, auch während des Befüllens und/oder Benetzens der Elektrode 1 eine Positionseinstellung der Befüllvorrichtung 2 und insbesondere der Düse vorzunehmen. Zur Positionseinstellung ist beispielsweise eine Steuereinrichtung vorgesehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht dargestellt ist.
Alternativ kann als Befüllvorrichtung 2 auch eine Walze oder eine Rakel, die jeweils mit einer oder mehreren Düsen gekoppelt sind, vorgesehen sein. Auch ist es möglich, alternativ zur Elektrode 1 eine Oberflächenseite eines Separators mit dem Elektrolytgemisch 3 zu versehen.
Nach dem Befüllen und/oder Benetzen der Elektrode 1 und/oder des Separators werden eine Anzahl von weiteren benetzten Elektroden 1 sowie Separatoren zur Bildung eines Folienstapels aufeinandergelegt, wobei jeweils zwischen zwei Elektroden 1 ein Separator angeordnet ist. Anschließend werden die Elektroden 1 und Separatoren zu einem Folienstapel miteinander verpresst. Dies erfolgt beispielsweise mittels Walzen. Auch ist es möglich, die Separatoren auf die Elektroden 1 aufzulaminieren, so dass auch sehr dünne, brüchige und/oder elektrostatisch schwer handhabbare Materialien verarbeitet werden können, da ein laminierter Verbund mechanisch sehr stabil ist.
Im Falle, dass die Befüllung und/oder Benetzung der Elektrode 1 und/oder des Separators mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens nicht ausreichend ist, kann ein zusätzliches Befüllen des Folienstapels erfolgen, wobei dieser in einen Behälter mit einer Elektrolytflüssigkeit getränkt wird. Anschließend wird der Folienstapel zur Herstellung einer Batterie entsprechend weiterverarbeitet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012213111 A1 [0002]
WO 2001/91222 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Batterie, wobei ein Elektrolytgemisch (3) mittels einer Befüllvorrichtung (2) auf zumindest eine Oberflächenseite einer Elektrode (1) und/oder eines Separators aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer Menge des aufzubringenden Elektrolytgemischs (3) eine Position der Befüllvorrichtung (2) oder zumindest eine Position einer das Elektrolytgemisch (3) aufbringenden Komponente der Befüllvorrichtung (2) relativ zur Oberflächenseite der Elektrode (1) und/oder des Separators in drei Achsen (x, y, z) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position der Befüllvorrichtung (2) oder zumindest eine Position der das Elektrolytgemisch (3) aufbringenden Komponente vor und/oder während des Aufbringens des Elektrolytgemischs (3) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Befüllvorrichtung (2) eine Sprühvorrichtung und als eine das Elektrolytgemisch (3) aufbringende Komponente mindestens eine Düse verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer Sprühnebelform eine Position der mindestens einen Düse relativ zur Oberflächenseite der Elektrode (1) und/oder des Separators eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Befüllvorrichtung (2) eine Walzvorrichtung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Befüllvorrichtung (2) eine Rakelvorrichtung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Elektrolytgemischs (3) überwacht, insbesondere optisch überwacht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen des Elektrolytgemischs (3) eine Anzahl von Elektroden (1) und Separatoren aufeinandergelegt und miteinander verpresst werden, wobei jeweils ein Separator zwischen zwei Elektroden angeordnet wird.
Befüllvorrichtung (2) zur Herstellung einer Batterie nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position zumindest einer ein Elektrolytgemisch (3) aufbringenden Komponente relativ zu einer Oberflächenseite einer Elektrode (1) und/oder eines Separators in drei Achsen (x, y, z) einstellbar ist.