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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle mit Wickelstruktur sowie eine derart hergestellte Zelle.
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Unter den bekannten sekundären (wiederaufladbaren) Batterien werden vergleichsweise hohe Energiedichten insbesondere von Lithium-Ionen-Batterien erreicht. Lithium-Ionen-Batterien enthalten in vielen Fällen einen Zellenstapel (stack), der aus mehreren Einzelzellen besteht. Insbesondere Batterien mit hoher Kapazität enthalten an Stelle eines Zellenstapels häufig auch sogenannte Wickelzellen, die streifen- oder bandförmige Elektroden in gewickelter Form umfassen. Knopfzellen mit Elektroden in gewickelter Form sind beispielsweise in der
WO 2010/146154 A2 sowie in der
WO 2010/089152 A1 beschrieben.
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Üblicherweise weisen sekundäre Zellen mit Wickelstruktur einen gewickelten Verbund aus bandförmigen Elektroden und einem Separator mit der Sequenz positive Elektrode / Separator / negative Elektrode auf. Häufig werden solche Zellen als sogenannte Bizellen mit den möglichen Sequenzen negative Elektrode / Separator / positive Elektrode / Separator / negative Elektrode oder positive Elektrode / Separator / negative Elektrode / Separator / positive Elektrode hergestellt. Die Elektroden umfassen dabei üblicherweise jeweils einen metallischen Stromableiter sowie elektrochemisch aktive Komponenten und elektrochemisch inaktive Komponenten.
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Als elektrochemisch aktive Komponenten (oft auch als Aktivmaterialien bezeichnet) kommen für sekundäre Lithium-Ionen-Batterien sämtliche Materialien in Frage, die Lithium-Ionen aufnehmen und wieder abgeben können. Stand der Technik sind diesbezüglich für die negative Elektrode insbesondere Materialien auf Kohlenstoffbasis wie graphitischer Kohlenstoff oder zur Interkalation von Lithium befähigte nicht-graphitische Kohlenstoffmaterialien. Weiterhin können auch metallische und halbmetallische Materialien zum Einsatz kommen, die mit Lithium legierbar sind, oder Komposite aus solchen Materialien mit beispielsweise Kohlenstoff-basierten Materialien. Für die positive Elektrode kommen insbesondere Lithium-Metalloxid-Verbindungen und Lithium-Metallphosphat-Verbindungen wie LiCoO2 und LiFePO4 in Frage.
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Als elektrochemisch inaktive Komponenten sind an erster Stelle Elektrodenbinder und die erwähnten Stromableiter zu nennen. Über die Stromableiter werden Elektronen aus den Elektroden zu- oder abgeführt. Die Elektrodenbinder gewährleisten die mechanische Stabilität der Elektroden und sorgen für die Kontaktierung der Partikel aus elektrochemisch aktivem Material untereinander sowie zum Stromableiter. Weiterhin fallen unter den Begriff insbesondere auch Leitmittel, also beispielsweise Ruß.
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Als Separatoren kommen insbesondere poröse Kunststofffolien in Frage, beispielsweise aus einem Polyolefin oder aus einem Polyetherketon.
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Zur Herstellung von Elektroden für Wickelzellen werden üblicherweise Pasten, umfassend die erwähnten elektrochemisch aktiven Komponenten sowie den Elektrodenbinder und gegebenenfalls das Leitmittel in Form dünner Schichten auf elektrische Stromableiter aufgebracht, getrocknet und in die gewünschte Passform gebracht. Üblicherweise werden die Schichten nach dem Trocknen gewalzt und gepresst. Die so gebildeten Elektroden werden miteinander sowie mit einem oder mehreren Separatoren kombiniert. Hierzu können die Elektroden beispielsweise auf einen Separator auflaminiert werden. Zum Einsatz kommen bevorzugt als Endlosband vorliegende Separatoren.
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Der entstehende Elektroden-Separator-Verbund, der in der Regel eine der erwähnten Sequenzen aufweist, wird dann aufgewickelt, und zwar üblicherweise auf einen Wickeldorn oder Wickelkern. Nach einer meist vordefinierten Anzahl von Windungen (unter einer Windung wird hierbei jeder vollständige Umlauf des Verbundes um den Wickeldorn oder Wickelkern verstanden) wird der gebildete Wickel vom Rest des Verbunds abgetrennt, beispielsweise mittels eines mechanischen Schneid- oder Stanzvorgangs.
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Die Zu- und Ableitung von Strom in und aus dem gebildeten Elektrodenwickel erfolgt meist über Ableiterfahnen, die beispielsweise stirnseitig aus dem gebildeten Wickel herausragen können. Die Ableiterfahnen sind elektrisch an die Stromableiter kontaktiert oder ein Teil von diesen.
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Um einen aufgewickelten Wickel zusammenzuhalten, wird bei gattungsgemäßen Verfahren in der Regel ein umlaufendes Band aus Polyimid (beispielsweise aus Kapton®) auf eine äußerste Windung aufgebracht. Dieses ist zumindest einseitig klebefähig und hält auf diese Weise den Wickel zusammen. Nachteilig an solchen Ausführungen ist jedoch, dass das Klebeband Platz außerhalb des nutzbaren Wickels benötigt, zusätzliche Materialkosten verursacht und bei der Herstellung eine eigene Apparatur zum Aufbringen des Kaptonbands benötigt wird.
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Aufgabe und Lösung
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle mit Wickelstruktur vorzusehen, bei welchem die eben erwähnten Nachteile nicht auftreten.
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Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung, eine Zelle vorzusehen, welche mittels eines solchen Verfahrens hergestellt wurde.
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Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Zelle nach Anspruch 10 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle mit Wickelstruktur, wobei bandförmige positive und bandförmige negative Elektroden mit mindestens einem in Form eines Endlosbands bereitgestellten Kunststoffseparator zu einem bandförmigen Elektroden-Separator-Verbund verarbeitet werden, in dem der Separator zwischen entgegengesetzt gepolten Elektroden angeordnet ist. Der Verbund wird auf einem Wickeldorn oder Wickelkern spiralförmig aufgewickelt und nach Abschluss des Wickelvorgangs wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der abschließenden äußeren Windung des Wickels (der Windung mit dem größten Radius) und einer darunter liegenden Windung, insbesondere der unmittelbar darunter liegenden Windung (der Windung mit dem zweitgrößten Radius) ausgebildet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auf das umlaufende Band aus Polyimid zu verzichten. Es wird vielmehr bereits die erwähnte stoffschlüssige Verbindung zwischen Windungen des Wickels ausgebildet. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden somit die Nachteile, welche eingangs mit Bezug auf das Kaptonband beschrieben wurden, zuverlässig vermieden.
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Das beschriebene Verfahren dient insbesondere zur Herstellung von kleinen Zellen mit Wickelstruktur, wie sie in Knopfzellen gemäß den eingangs genannten
WO 2010/146154 A2 und
WO 2010/089152 A1 verbaut werden können.
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Zum Einsatz kommt bei dem Verfahren bevorzugt einer der bereits aus dem Stand der Technik bekannten Elektroden-Separator-Verbünde, bei denen ein Separator zwischen entgegengesetzt gepolten Elektroden angeordnet ist. Der Verbund wird – wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist – auf einen Wickeldorn oder Wickelkern aufgewickelt, und zwar bevorzugt in einer entsprechenden Wickelmaschine. Nach dem Abschluss des Wickelvorgangs folgt das Abtrennen des gebildeten Wickels.
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Der zum Einsatz kommende Verbund wird bevorzugt hergestellt, wie mit Bezug auf den Stand der Technik beschrieben wurde, also durch Beschichten eines bevorzugt bandförmigen Stromableiters mit einer geeigneten Paste, gegebenenfalls Trocknen, Walzen und/oder Pressen der entstehenden bandförmigen Elektroden sowie Kombinieren der gebildeten Elektroden miteinander sowie mit mindestens einem Kunststoffseparator.
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Geeignete Pasten zur Herstellung positiver und negativer Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Als Beispiel für eine Elektrodenpaste für eine negative Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie wäre eine Paste umfassend ein geeignetes Lösungs- und/oder Dispergiermittel, Graphitpartikel als elektrochemisches Aktivmaterial, einen Elektrodenbinder wie Natriumcarboxymethylcellulose und gegebenenfalls ein Leitfähigkeitsadditiv zu nennen. Eine Paste für eine positive Elektrode könnte neben einem geeigneten Lösungs- und/oder Dispergiermittel beispielsweise als elektrochemisches Aktivmaterial Lithiumkobaltoxid sowie ebenfalls einen Elektrodenbinder und ein Leitfähigkeitsadditiv umfassen.
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Bevorzugt werden mindestens zwei Kunststoffseparatoren zu einem Verbund mit der Schichtsequenz
- • Separator / positive Elektrode / Separator / negative Elektrode
und/oder - • Separator / negative Elektrode / Separator / positive Elektrode
verarbeitet.
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Der mindestens eine Separator besteht bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise aus einem Polyolefin oder einem Polyetherketon. Kunststoffseparatoren für Batterien sind in zahlreichen Ausführungsformen kommerziell erhältlich. Bevorzugt wird der mindestens eine Kunststoffseparator in Form eines Endlosbands bereitgestellt.
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Die Stromableiter innerhalb der Elektroden liegen typischerweise in Form von Flächengebilden vor, beispielsweise netz- oder gitterförmig. Auch Vliese oder poröse Schäume aus Metallen sind einsetzbar. Für positive Elektroden können beispielsweise Stromkollektoren aus Aluminium verwendet werden, für negative Elektroden Stromkollektoren aus Kupfer.
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Besonders bevorzugt wird die äußere Windung des Wickels ausschließlich durch den mindestens einen Kunststoffseparator gebildet. Mit anderen Worten, die äußere Windung besteht ausschließlich aus dem mindestens einen Kunststoffseparator und weist keine Elektrodenaktivmaterialien oder Stromableiter mehr auf.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht zudem zumindest auch ein Teilabschnitt der unmittelbar unter der äußeren Windung liegenden Windung, bevorzugt die ganze Windung, ausschließlich aus dem mindestens einen Separator.
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Derartige Ausführungsformen lassen sich beispielsweise bilden, indem man den mindestens einen Separator bei der Bildung des Verbundes mit den Elektroden endständig überstehen lässt (beispielsweise durch rechtzeitiges Stoppen der Zufuhr der Elektrodenbänder), so dass die Länge des Separators die Länge der Elektroden im Wickel um mindestens eine Windung, bevorzugt um zwei oder mehr Windungen, übersteigt. Der bandförmige Verbund aus den Elektroden und dem Separator lässt sich entsprechend in einen ersten Längenabschnitt mit Elektroden und in einen zweiten, endständigen Längenabschnitt bestehend nur aus dem mindestens einen Separator unterteilen, wobei im Wickel aus dem ersten Längenabschnitt mit den Elektroden die inneren Windungen gebildet sind und aus dem endständigen Abschnitt die äußere Windung oder die außenliegenden Windungen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die stoffschlüssige Verbindung mittels thermischer Verschmelzung ausgebildet. Es werden also die äußere Windung des Wickels und eine darunter liegende Windung, insbesondere die unmittelbar darunter liegende Windung, miteinander verschmolzen. Auf diese Weise kann eine unmittelbare stoffschlüssige Verbindung besonders vorteilhaft ausgebildet werden.
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Bevorzugt erfolgt die thermische Verschmelzung mittels eines Laserstrahls. Ein Laserstrahl ermöglicht einen lokal besonders hohen Energieeintrag auf das Material, was ein exaktes und zuverlässiges Verschmelzen bei schneller Verfahrensführung ermöglicht.
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Gemäß einer hierzu alternativen oder auch damit kombinierbaren Ausführung erfolgt die thermische Verschmelzung mittels eines Werkzeugs, das auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Materials, aus dem der mindestens eine Separator besteht, erwärmt ist. Bei diesem Werkzeug kann es sich beispielsweise um eine Anzahl von rollierender Siegelbacken handeln.
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In bevorzugten Ausführungsformen kann die thermische Verschmelzung über das Ende der äußeren Windung des Wickels hinaus erfolgen, so dass nicht nur die äußeren Windung mit der unmittelbar darunter liegenden Windung sondern auch die unmittelbar darunter liegende Windung mit einer wiederum darunter liegenden Windung stoffschlüssig verbunden wird. Hintergrund dieser Verfahrensvariante ist, dass der Wickel ein außenliegendes freies Ende aufweist und es nicht einfach ist, automatisiert die Position dieses freien Endes zu bestimmen. Eine Notwendigkeit zur exakten Erkennung dieses freien Endes entfällt in dieser Ausführungsform.
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Zusätzlich oder alternativ zur beschriebenen Verschmelzung kann die stoffschlüssige Verbindung auch durch Aufbringen eines adhäsiven Materials auf die Innenseite der äußeren Windung und/oder auf die Außenseite der unmittelbar darunter liegenden Windung realisiert werden. Bei dem adhäsiven Material kann es sich beispielsweise um einen Klebstoff handeln, welcher die Windungen nach dem Aushärten zusammenhält. Besonders geeignet sind durch Strahlung aushärtbare Klebstoff, da sich bei diesen das Aushärten stark beschleunigen lässt.
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Bevorzugt erfolgt die Bildung der stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere die thermische Verschmelzung, entlang eines gezackten oder gewellten Wegs. Damit kann eine gute Verteilung der Haltewirkung über die Breite des Wickels erreicht werden, ohne dass die Verbindung auf einem flächigen Abschnitt ausgebildet werden muss. Es genügt eine linienförmige Verbindung zur Erreichung der gewünschten Festigkeit.
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Bevorzugt wird die stoffschlüssige Verbindung beabstandet zu den jeweiligen Längsrändern des Elektroden-Separator-Verbunds, insbesondere zu den Längsrändern des mindestens einen Separators, ausgebildet. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass die stoffschlüssige Verbindung in der Mitte des Elektroden-Separator-Verbunds und/oder innerhalb eines um die Mitte definierten, gedachten Bands, welches nicht die komplette Breite des Elektroden-Separator-Verbunds einnimmt, ausgebildet wird.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Lithium-Ionen-Zelle mit Wickelstruktur, welche mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde. Mittels einer solchen Zelle können die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile für eine Zelle nutzbar gemacht werden. Dabei kann auf alle weiter oben beschriebenen Ausführungen und Varianten des Verfahrens zurückgegriffen werden. Erläuterte Vorteile gelten entsprechend.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Dabei zeigen:
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1: eine schematische Querschnittsansicht einer Zelle mit Wickelstruktur gemäß dem Stand der Technik,
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2: eine perspektivische Ansicht eines Wickels gemäß der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Zelle 100 gemäß dem Stand der Technik. Diese weist ein metallisches Becherteil 101 und ein metallisches Deckelteil 102 auf. Über eine Dichtung 109 sind die beiden Teile 101, 102 dichtend miteinander verbunden. Zusammen bilden sie ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich 103 und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich 104 aus. Im Gebrauchszustand bilden diese ebenen Bereiche 103, 104 die Pole der Zelle, an denen eine Stromabnahme durch einen Verbraucher erfolgen kann. Ein Rand 110 des Becherteils 101 ist nach innen über den Rand des Deckelteils 102 gebördelt.
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Im Inneren der Zelle 100 ist ein Verbund aus einer ersten streifenförmigen positiven Elektrode 105, einer zweiten streifenförmigen negativen Elektrode 106 und streifenförmigen Separatoren 107 angeordnet. Der Elektroden-Separator-Verbund aus den Elektroden 105, 106 sowie den Separatoren 107 liegt dabei in Form eines Wickels vor, der mit seinen Stirnseiten an den ebenen Bodenbereich 103 und den dazu parallelen ebenen Deckelbereich 104 anstößt. Aufgewickelt ist der Verbund auf einen Kern 108 im Zentrum der Zelle 100. Sowohl der Kern 108 als auch die um ihn gewickelten Elektroden 105, 106 und Separatoren 107 sind orthogonal zu den ebenen Boden- und Deckelbereichen 103, 104 ausgerichtet. Sofern die Elektroden 105, 106 bei einem Lade- oder Entladevorgang an Volumen gewinnen oder verlieren, wirken die dabei resultierenden mechanischen Kräfte überwiegend radial und können vom Mantelbereich der Knopfzelle 100 aufgefangen werden.
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Um den Wickel der Zelle 100 zusammenzuhalten, ist ein Kaptonband 112 über ein freies Ende des Elektroden-Separator-Verbunds geklebt. Dieses verbraucht jedoch zusätzlichen Platz innerhalb der Zelle 100.
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Es sei verstanden, dass zur besseren Darstellung in 1 nur eine kleine Anzahl von Windungen des Wickels dargestellt ist. Typische Zellen haben deutlich mehr Windungen, um eine hohe Kapazität zu gewährleisten.
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2 zeigt einen Wickel welcher ähnlich zu demjenigen von 1 ist, welcher jedoch gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführt ist. Das Deckelteil 102 und das Becherteil 101 sowie der Kern 108 sind dabei nicht dargestellt.
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Dabei ist zu erkennen, dass ausgehend vom Inneren des Wickels zunächst über eine Vielzahl von Windungen hinweg jeweils die Reihenfolge erste Elektrode 105, Separator 107, zweite Elektrode 106, Separator 107 eingehalten wird. Ab dem Punkt 117 sind lediglich die beiden Separatoren 107 weitergeführt. Die Elektroden 105, 106 enden hier. Die äußeren Windungen des Wickels werden somit ausschließlich durch Separatoren gebildet. Das freie Ende 115 ist dasjenige Ende der beiden Separatoren 107, welches bei einer Abwicklung des Wickels als erstes aufgenommen und vom Rest des Wickels entfernt werden würde.
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Die Separatoren 107 der äußersten Windung und der darunter liegenden Windung sind entlang einer Linie 120 verschmolzen. Die Linie 120 ist mittels eines Lasers ausgeführt. Sie hat eine gezackte Form und läuft einmal um den gesamten Wickel herum. Auf diese Weise sind entlang der Linie 120 die Separatoren 107 stoffschlüssig miteinander verbunden. Dies sorgt dafür, dass der Wickel insgesamt zusammengehalten wird.
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Auf ein zusätzliches Kaptonband oder weitere Maßnahmen zum Halten des Wickels in seiner gewünschten Form kann verzichtet werden. Dies spart Arbeitsschritte, Zeit und Platz. Somit kann der Wickel insgesamt größer ausgeführt werden und erlaubt eine größere Kapazität. Außerdem wird eine günstigere Herstellung ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/146154 A2 [0002, 0016]
- WO 2010/089152 A1 [0002, 0016]
