DE102014113588A1 - Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, welche gestapelte Elektroden- und Separatorblätter (11, 14, 15) aufweist, durch Herstellen mindestens einer Halbzelle (18) bestehend aus zwei Separatorblättern (11, 15) und einem dazwischen angeordneten Elektrodenblatt (14), mit den Schritten:
a. Zuführen einer ersten Separatorfolienbahn (11);
b. Ablegen mindestens eines Elektrodenblatts (14) auf der ersten Separatorfolienbahn (11);
c. Auflegen einer zweiten Separatorfolienbahn (15) auf das mindestens eine Elektrodenblatt (14);
d. Bildung einer Tasche für das mindestens eine Elektrodenblatt (14) durch mindestens bereichsweises Verbinden der beiden Separatorfolien (11, 15) außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs des Elektrodenblatts (14) und dadurch Bilden eines Taschenrandes;
e. Schneiden der beiden Separatorfolien (11, 15) entlang des oder der Taschenränder und dadurch Herstellen einer oder mehrerer Halbzellen (18).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, welche gestapelte Elektroden- und Separatorblätter aufweist, durch Herstellen mindestens einer Halbzelle bestehend aus zwei Separatorblättern und einem dazwischen angeordneten Elektrodenblatt.
  • Batteriezellen bestehen häufig aus Stapeln aus Elektrodenblättern, insbesondere Anodenblättern und Kathodenblättern, wobei zwischen den Elektrodenblättern ein Separator vorgesehen ist. Dabei ist es bekannt, einen Stapel durch Ablage von Elektrodenblättern und Separatorblättern auf einer Stapelposition zu bilden. Nach Beendigung des Stapelvorgangs wird der gebildete Stapel durch eine Klemmvorrichtung fixiert oder durch Anbringen von zusätzlichen Klebebändern in Position gehalten.
  • Alternativ erfolgt die Stapelbildung durch Ablage von Elektrodenblättern, wobei der Separator als Bahnware z-förmig zwischen den einzelnen Elektrodenblättern hindurchgeführt wird. Während des Stapelvorgangs wird der aus Elektrodenblättern entstehende Stapel mit Haltefingern fixiert und nach Beendigung des Stapelns durch Aufbringen eines zusätzlichen Klebebandes fixiert.
  • Weiter ist es bekannt, die Elektrodenstapel aus sogenannten Halbzellen mit dazwischen angeordneten Elektrodenblätter zu bilden. Jede Halbzelle besteht aus zwei Separatorblättern mit einem dazwischen angeordneten Elektrodenblatt, die zu einer handhabbaren Einheit zusammengefasst sind. Die Halbzellen sind sehr viel einfacher zu handhaben als lose Separatorblätter. Bisher werden die Halbzellen dadurch gebildet, dass beidseitig auf ein Elektrodenblatt ein Separatorblatt auflaminiert wird. Die für das Laminieren notwendige Hitze verändert jedoch die physikalischen Eigenschaften der Separatoren. Es kann dazu kommen, dass ein Teil der Poren der Separatorblätter verschlossen wird, wodurch sich die elektrochemischen Eigenschaften der Batteriezelle in nur schwierig kontrollierbarer Weise verändern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle aus mindestens einer Halbzelle vorzuschlagen, das zu keinen oder nur geringfügigen Veränderungen der physikalischen Eigenschaften der Separatoren führt.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, welche gestapelte Elektroden- und Separatorblätter aufweist, durch Herstellen mindestens einer Halbzelle bestehend aus zwei Separatorblättern und einem dazwischen angeordneten Elektrodenblatt, das gekennzeichnet ist durch die Schritte:
    • a. Zuführen einer ersten Separatorfolienbahn;
    • b. Ablegen mindestens eines Elektrodenblatts auf der ersten Separatorfolienbahn;
    • c. Auflegen einer zweiten Separatorfolienbahn auf das mindestens eine Elektrodenblatt;
    • d. Bildung einer Tasche für das mindestens eine Elektrodenblatt durch mindestens bereichsweises Verbinden der beiden Separatorfolien außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs des Elektrodenblatts und dadurch Bilden eines Taschenrandes;
    • e. Schneiden der beiden Separatorfolien entlang des oder der Taschenränder und dadurch Herstellen einer oder mehrerer Halbzellen.
  • Bei diesem Verfahren müssen nicht vorgeschnittene Separatorblätter, sondern sehr viel einfacher zu handhabende Separatorfolienbahnen verarbeitet werden. Das Elektrodenblatt wird in einer Art Tasche zwischen den Separatorfolien aufgenommen. Die elektrochemisch aktive Fläche des Elektrodenblatts wird während des Herstellungsprozesses weder mechanisch noch mit Hitze beaufschlagt. Auch die Separatorfolien werden in diesem Bereich des Elektrodenblatts nicht verändert. Es können daher Batteriezellen mit reproduzierbaren elektrochemischen Eigenschaften hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass Elektrodenblätter mit unterschiedlichsten Formen eingesetzt werden können. Wenn dabei der Taschenrand dem äußeren Rand des Elektrodenblatts folgend und außerhalb des Elektrodenblatts gebildet wird, können passgenaue Taschen für die Elektrodenblätter hergestellt werden. Vorzugsweise können hierzu der oder die Taschenränder jeweils in einem konstanten Abstand zum Elektrodenblattrand verlaufend gebildet werden.
  • Das Ausschneiden der Halbzellen kann dicht am Taschenrand für das Elektrodenblatt erfolgen, sodass Halbzellen mit nur einem geringen Folienüberstand erzeugt werden können. Bei einer gegebenen Umverpackung lässt sich daher fast der gesamte Querschnitt durch die Elektrodenblätter ausfüllen und dadurch eine sehr leistungsfähige Batterie herstellen.
  • Das Schneiden in Schritt e. kann vorzugsweise mittels eines Lasers erfolgen.
  • Für das Verbinden der beiden Separatorfolien kommen unterschiedliche Verfahren in Frage. Bei einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens wird vor Schritt c. ein Klebstoff zumindest punktuell außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs des Elektrodenblatts auf die erste Separatorfolienbahn aufgetragen. Der Klebstoff kann dabei auch so aufgetragen werden, dass nicht nur die beiden Separatorfolien miteinander verbunden werden, sondern auch das Elektrodenblatt mit der ersten Separatorfolie verklebt wird. Wird ein Klebstoff zum Verbinden der Separatorfolien eingesetzt, so muss das Separatorfolienmaterial nicht mit einem Laminat oder dergleichen beschichtet sein, wodurch sich die Herstellung der Separatorfolienbahnen vereinfacht.
  • Bei einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird das Verbinden der beiden Separatorfolien in Schritt d. mittels Laserschweißen durchgeführt, Auch diese Variante lässt beliebige Formen für das Elektrodenblatt zu, da mit dem Laserkopf der Kontur des Blattes gefolgt werden kann.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Batteriezelle, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, mit einem Elektrodenstapel, der aus mindestens einer Halbzelle hergestellt ist, wobei die Halbzelle aus zwei Separatorfolien und einem in einer Tasche zwischen den Separatorfolien angeordneten Elektrodenblatt gebildet ist.
  • Weiter ist von der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst, die gekennzeichnet ist durch einen Halter für eine Rolle einer ersten Separatorfolienbahn, ein Vakuumband, auf das die erste Separatorfolienbahn auflegbar ist, eine Handhabungseinrichtung zum Auflegen mindestens eines Elektrodenblatts auf die erste Separatorfolienbahn, einen Halter für eine Rolle einer zweiten Separatorfolienbahn, eine Einrichtung zum Verbinden der beiden Separatorfolien außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs des Elektrodenblatts und eine Schneideinrichtung zum Ausschneiden von Halbzellen aus den verbundenen Separatorfolienbahnen.
  • Das Vakuumband hält und transportiert zunächst die erste Separatorfolienbahn. Die aufgelegten Elektrodenblätter werden anschließend ebenso wie die zweite Separatorfolienbahn ebenfalls von dem Vakuumband gehalten und mittransportiert, da das Vakuum durch die Poren der ersten Separatorfolienbahn hindurch auch die Elektrodenblätter und die zweite Separatorfolienbahn ansaugt. Die Saugkraft ist dabei ausreichend, die verschiedenen Lagen sicher für das Verbinden der beiden Separatorfolienbahnen und das anschließende Ausschneiden der Halbzellen zu positionieren.
  • Dabei kann die Schneideinrichtung vorzugsweise eine Laserschneideinrichtung sein, die in der Lage ist, unterschiedlich geformte Halbzellen auszuschneiden.
  • Die Einrichtung zum Verbinden der Separatorfolien kann eine Klebstoffauftragsvorrichtung aufweisen, um die Taschen für die Elektrodenblätter zwischen den beiden Separatorfolienbahnen bilden zu können.
  • Alternativ kann die Einrichtung zum Verbinden der Separatorfolien eine Laserschweißeinrichtung sein. Die Taschen für die Elektrodenblätter werden bei dieser Ausgestaltung durch eine Schweißnaht erzeugt. Dabei kann die Laserschweißeinrichtung gleichzeitig die Laserschneideinrichtung sein. Mit demselben Laser können dann sowohl die Taschen gebildet als auch die Halbzellen ausgeschnitten werden. Dazu wird die Laserleistung, die Fokussierung des Laserstrahls sowie die Bewegung des Lasers für die beiden unterschiedlichen Aufgaben entsprechend variiert.
  • Weitere Vorteile können dadurch erzielt werden, dass eine Einrichtung zur Konturerkennung des mindestens einen unter der zweiten Separatorfolie liegenden Elektrodenblatts vorgesehen ist, die mit der Steuerung der Einrichtung zum Verbinden der Separatorfolien und mit der Steuerung der Schneideinrichtung verbunden ist. Eine solche Einrichtung ermöglicht die Ermittlung der exakten Lage der Elektrodenblätter auf der ersten Separatorfolienbahn und damit ein präzises Bilden der Taschen für die Elektrodenblätter und Ausschneiden der Halbzellen. Die Einrichtung zur Konturerkennung kann dabei vorzugsweise eine Kamera mit Beleuchtungseinrichtung sein. Damit sind die Elektrodenblätter durch die poröse zweite Separatorfolienbahn hindurch gut zu erkennen.
  • Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Herstellung von Halbzellen für die Produktion von Batteriezellen mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben.
  • Im Einzelnen zeigen:
  • 1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Vorrichtung zur Herstellung von Halbzellen;
  • 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung aus 1;
  • 3 eine Detailansicht einer Tasche mit einem Elektrodenblatt nach dem Verbinden der beiden Separatorfolien mit der Vorrichtung aus 2;
  • 4 eine Detailansicht des Ausschneidens einer Halbzelle mit der Vorrichtung aus 2;
  • 5 eine Draufsicht auf eine Separatorfolienbahn und ein Elektrodenblatt bei einem zweiten Herstellungsverfahren;
  • 6 eine Draufsicht auf eine nach dem zweiten Verfahren hergestellte Halbzelle;
  • 7 einen vergrößerten Teilschnitt durch die Halbzelle aus 6.
  • Die Vorrichtung 10 aus den 1 und 2 ermöglicht die Herstellung von Halbzellen nach einem ersten Verfahren. Es wird zunächst eine erste Separatorfolienbahn 11 in Pfeilrichtung 12 einem aus 2 ersichtlichen Vakuumband 13 zugeführt. Anschließend wird ein Elektrodenblatt 14 auf die erste Separatorfolienbahn 11 aufgelegt und ebenfalls durch das Vakuumband 13 durch die erste Separatorfolienbahn hindurch mit angesaugt. Dann wird eine zweite Separatorfolienbahn 15 über eine Umlenkrolle 16 zugeführt. Auch die Separatorfolienbahn 15 wird durch das Vakuumband 13 fixiert. Anschließend erfolgt in einem Schritt 16 das Verbinden der beiden Separatorfolienbahnen 11, 15 und in einem Schritt 17 das Ausschneiden der fertigen Halbzelle 18.
  • Wie 2 verdeutlicht, ist zum Verbinden der beiden Separatorfolienbahnen 11, 15 eine Einrichtung 19 vorgesehen, die bei dieser Vorrichtung eine Lasereinrichtung ist. Das Ausschneiden der Halbzellen 18 erfolgt mit einer Laserschneideinrichtung 20. Weiter sind in 2 Vorratsrollen 21, 22 für die Separatorfolienbahnen 11, 15, ein Entnahmemagazin 23 für die Elektrodenblätter 14 sowie ein Magazin 24 für die fertigen Halbzellen gezeigt.
  • 3 zeigt einen Schnitt durch die Separatorfolien 11, 15 und das Elektrodenblatt 14 nach dem Verbindungsvorgang in Schritt 16. Die Schweißnaht 25 liegt unmittelbar neben der Kante des Elektrodenblatts 14, was auch aus 4 zu erkennen ist, die eine Kante der fertigen Halbzelle 18 nach dem Schneidvorgang zeigt. Die Schneidkante 26 legt in einem konstanten Abstand d von der äußeren Kante des Elektrodenblatts 14 entfernt. Dadurch entsteht eine Halbzelle 18, deren Abmessungen nur unwesentlich größer sind als diejenigen des Elektrodenblatts 14.
  • 5 illustriert ein alternatives Herstellungsverfahren für eine Halbzelle 18' (6). Bei diesem Verfahren werden wieder Elektrodenblätter 14' auf eine erste Separatorfolienbahn 11' aufgelegt. Anschließend wird jedoch entlang der Umfangslinie der Elektrodenblätter 14' Klebstoff 27 zumindest punktuell aufgetragen, bevor die zweite Separatorfolienbahn aufgelegt wird (nicht gezeigt). Auch bei diesem Verfahren kann ein Vakuumband zum Fixieren und Transportieren der Separatorfolienbahnen sowie der Elektrodenblätter 14' eingesetzt werden. Die Saugkraft des Vakuumbandes ist stark genug, die nötige Anpresskraft zur Herstellung der Klebeverbindung zwischen der zweiten Separatorfolienbahn und der ersten Separatorfolienbahn 11' zu erzeugen. Anschließend können die dadurch gebildeten Taschen mit den Elektrodenblättern 14' beispielsweise durch Laserschneiden ausgeschnitten werden, sodass einzelne, in 6 gezeigte Halbzellen 18' entstehen.
  • 7 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch einen Randbereich der Halbzelle 18' aus 6. Es sind die beiden Separatorfolien 11', 15' mit dem eingeschlossenen Elektrodenblatt 14' und der Klebstoff 27 zu erkennen. Dieser umschließt die äußere Kante des Elektrodenblatts 14', sodass dieses mit den Separatorfolien 11', 15' verklebt ist. Gleichzeitig verbindet der Klebstoff 27 die beiden Separatorfolien 11', 15'.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, welche gestapelte Elektroden- und Separatorblätter (11, 14, 15; 11', 14', 15') aufweist, durch Herstellen mindestens einer Halbzelle (18, 18') bestehend aus zwei Separatorblättern (11,15; 11', 15') und einem dazwischen angeordneten Elektrodenblatt (14, 14'), gekennzeichnet durch die Schritte: a. Zuführen einer ersten Separatorfolienbahn (11, 11'); b. Ablegen mindestens eines Elektrodenblatts (14, 14') auf der ersten Separatorfolienbahn (11, 11'); c. Auflegen einer zweiten Separatorfolienbahn (15, 15') auf das mindestens eine Elektrodenblatt (14, 14'); d. Bildung einer Tasche für das mindestens eine Elektrodenblatt (14, 14') durch mindestens bereichsweises Verbinden der beiden Separatorfolien (11, 15; 11', 15') außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs des Elektrodenblatts (14, 14') und dadurch Bilden eines Taschenrandes; e. Schneiden der beiden Separatorfolien (11, 15, 11', 15') entlang des oder der Taschenränder und dadurch Herstellen einer oder mehrerer Halbzellen (18, 18').
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Taschenrand dem äußeren Rand des Elektrodenblatts (14, 14') folgend und außerhalb des Elektrodenblatts gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Taschenränder jeweils in einem konstanten Abstand zum Elektrodenblattrand verlaufend gebildet werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneiden in Schritt e. mittels eines Lasers (20) erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt c, ein Klebstoff (27) zumindest punktuell außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs des Elektrodenblatts (14') auf die erste Separatorfolienbahn (11') aufgetragen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der beiden Separatorfolien (11, 15) in Schritt d. mittels Laserschweißen durchgeführt wird.
  7. Batteriezelle, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Elektrodenstapel, der aus mindestens einer Halbzelle (18, 18') hergestellt ist, wobei die Halbzelle (18, 18') aus zwei Separatorfolien (11, 15; 11', 15') und einem in einer Tasche zwischen den Separatorfolien (11, 15; 11', 15') angeordneten Elektrodenblatt (14, 14') gebildet ist.
  8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Halter für eine Rolle (22) einer ersten Separatorfolienbahn (11), ein Vakuumband (13), auf das die erste Separatorfolienbahn (11) auflegbar ist, eine Handhabungseinrichtung zum Auflegen mindestens eines Elektrodenblatts (14) auf die erste Separatorfolienbahn (11), einen Halter für eine Rolle (21) einer zweiten Separatorfolienbahn (15), eine Einrichtung (19) zum Verbinden der beiden Separatorfolien (11, 15) außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs des Elektrodenblatts (14) und eine Schneideinrichtung (20) zum Ausschneiden von Halbzellen (18) aus den verbundenen Separatorfolienbahnen (11, 15).
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneideinrichtung (20) eine Laserschneideinrichtung ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (19) zum Verbinden der Separatorfolien (11', 15') eine Klebstoffauftragsvorrichtung aufweist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (19) zum Verbinden der Separatorfolien (11, 15) eine Laserschweißeinrichtung ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißeinrichtung (19) gleichzeitig die Laserschneideinrichtung (20) ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Konturerkennung des mindestens einen unter der zweiten Separatorfolie (15, 15') liegenden Elektrodenblatts (14, 14') vorgesehen ist, die mit der Steuerung der Einrichtung (19) zum Verbinden der Separatorfolien (11, 15; 11', 15') und mit der Steuerung der Schneideinrichtung (20) verbunden ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Konturerkennung eine Kamera mit Beleuchtungseinrichtung ist.
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