DE102014221297A1

DE102014221297A1 - Verfahren zur Herstellung eines Flachwickels

Info

Publication number: DE102014221297A1
Application number: DE102014221297.9A
Authority: DE
Inventors: Marcus Wegner; Jean Fanous; Bernd Schumann; Jens Grimminger; Martin Tenzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2016-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zelle (15, 16), insbesondere einer Lithium-Ionen-Zelle, wobei wickelbare und zunächst nicht wickelbare Materialien (17) insbesondere in Schichten miteinander zu einem Zellwickel (15) gewickelt werden.

Description

Gemäß Anspruch 1 betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer gewickelten Zelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Zelle, wobei wickelbare und zunächst nicht wickelbare Materialien, insbesondere in Schichten aus wickelbaren und nicht wickelbaren Materialien, miteinander zu einem Zellwickel gewickelt werden. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung nach dem Oberbegriff von Anspruch 10 eine gewickelte Zelle mit wickelbaren und nicht wickelbaren Materialien, die vorzugsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als Flachwickel hergestellt ist.
Stand der Technik
Bekannte gewickelte Batteriezellen, nachfolgend nur Zelle genannt, wie bspw. Lithium-Ionen-Zellen, besitzen in den meisten Fällen gewickelte Aktivmaterialien in Form eines runden oder abgeflachten Zellwickels, welche beispielsweise in Schichten an- bzw.- übereinander liegen. Die Herstellung eines Zellwickels ist dann ohne Probleme möglich, so lange alle im Zellwickel enthaltenen Materialien, wie bspw. der Stromableiter, die Anode, die Kathode und ein Separator, wickelbar sind, und diese beim Wickeln nicht beschädigt werden. Werden in Zellen beispielsweise Schichten aus Materialien verwendet, die nicht wickelbar sind, wie bspw. keramische oder poröse Materialien, werden diese Materialien zu einer Zelle gestapelt. Jedoch ist das Stapeln von einzelnen Schichten zu Schichtstapeln sehr zeitintensiv und erfordert hohe Genauigkeiten beim Ausrichten der einzelnen Schichten zueinander. Dies führt dazu, dass das Stapeln einer Zelle gegenüber dem Wickeln einer Zelle sehr kostenintensiv ist. Entsprechend ist das Verfahren zum Wickeln einer Zelle als Vorzugslösung bei der Zellassemblierung zu sehen. Bei neuartigen Lithium-Zellen mit metallischer Lithium-Anode (z. B. Lithium-Schwefel, Lithium-Sauerstoff, etc.) wird in der Regel als ionenleitende Schutzschicht auf der Lithium-Anode ein keramisches Material oder eine Mehrlagen-Struktur oder ein Komposit mit keramischen Anteilen verwendet. Diese Materialien, die vorzugsweise in Schichten an- bzw. übereinander liegen, zeichnen sich jedoch dadurch aus, dass diese üblicherweise nicht gewickelt werden können, da es sonst in den gebogenen Abschnitten des Zellwickels zu Schäden, Rissen, etc. kommen kann und dadurch die Schutzwirkung für die Lithium-Anode nicht mehr gewährleistet ist. Aus diesem Grund erfordert die Zellassemblierung der neuartigen Lithium-Zellen, die als ionenleitende Schutzschicht ein keramisches Material oder eine Mehrlagenstruktur oder ein Komposit mit keramischen Anteilen aufweisen, dass diese Materialien mit der Lithium-Anode in einzelnen Schichten zu Schichtstapeln gestapelt werden müssen. Ein weiterer Nachteil beim Stapeln der Zellmaterialien ist, dass die Randabdichtung um die Lithium-Schutzschichten herum sehr genau ausgerichtet werden muss, und daher das Stapeln der einzelnen Schichten zu einer gesamten Zelle sehr zeit-/und kostenintensiv ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine gewickelte Zelle anzugeben, wobei die Herstellungskosten sowie der Zeitaufwand für die Zellassemblierung der Zelle reduziert werden, und wobei die gewickelte Zelle zumindest teilweise aus nicht wickelbaren Materialien, insbesondere aus Schichten mit nicht wickelbaren Material besteht.
Die voranstehende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine gewickelte Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen gewickelten Zelle mit wickelbaren und nicht wickelbaren Materialien und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Im nachfolgenden Text wird immer nur der Begriff „Zelle“ verwendet, worunter eine Batteriezelle mit Aktivmaterial verstanden wird, das vorzugsweise in Schichten an- bzw. übereinander liegt. Bei der Batteriezelle kann es sich um einfach zu entladene und auch um wiederaufladbare Batterien handeln, die bei einem chemischen Prozess, insbesondere durch das Aktivmaterial, elektrische Energie liefern. Zweckmäßigerweise kann dieses Aktivmaterial zu einem Zellwickel aufgewickelt werden, wobei das Aktivmaterial vorzugsweise in Schichten zu einem Zellwickel aufgewickelt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Zelle, wobei es sich insbesondere um eine gewickelte Zelle handelt und vorzugsweise um eine Lithium-Ionen-Zelle, umfasst die technische Lehre, dass wickelbare und zunächst nicht wickelbare Materialien, insbesondere in Schichten aus wickelbaren und nicht wickelbaren Materialien, miteinander zu einem Zellwickel gewickelt werden. Vorzugsweise sind dabei die wickelbaren und nicht wickelbaren Materialien auf einem gemeinsamen wickelbaren Trägersubstrat, bspw. einer Trägerbahn oder einer Trägerschicht, angeordnet. Bei den wickelbaren Materialien kann es sich bspw. um eine metallische Lithium-Anode (für z. B. Lithium-Schwefel, Lithium-Sauerstoff, etc.) handeln. Die nicht wickelbaren Materialien sind vorzugsweise keramisch oder weisen eine Mehrlagenstruktur auf oder sind ein Komposit mit keramischen Anteilen. Diese nicht wickelbaren Materialien dienen demzufolge vorzugsweise als ionenleitende Schutzschicht auf der Lithium-Anode und sind in der Regel sehr spröde und nicht flexibel. Folglich lassen sich diese Materialien nicht wickeln, insbesondere nicht in an- oder übereinanderliegenden Schichten.
Um das zunächst nicht wickelbare Material zu einem Zellwickel wickeln zu können, wird das zunächst nicht wickelbare Material vorteilhaft intermittierend mit einem wickelbaren Material, insbesondere bewegbar verbunden, wobei das wickelbare Material mit dem zunächst nicht wickelbaren Material insgesamt ein wickelbares Verbundmaterial bildet. Dabei wird das wickelbare Material vorteilhaft jeweils als Zwischenelement zwischen Materialabschnitten aus dem nicht wickelbaren Material eingesetzt. In vorteilhafter Weise funktionieren die Zwischenelemente aus dem wickelbaren Material, das beispielsweise eine aus einem Polymer ausgebildete flexible Füllmasse sein kann, die zwischen den Materialabschnitten aus dem nicht wickelbaren Material eingefüllt wird, und die in Verbindung mit den Materialabschnitten aus dem nicht wickelbaren Material steht, als Gelenkverbindungen.
Um wickelbare und nicht wickelbare Materialien auf einem wickelbaren Trägersubstrat, bspw. einer Trägerbahn oder -schicht anzuordnen, um diese dann gemeinsam mit weiteren Schichten der Zelle zu einem Zellwickel zu wickeln, wird vorzugsweise in einem ersten Schritt a) auf einem Trägersubstrat, das nicht Teil der Zelle ist, eine Maske aufgetragen. Vorteilhafter Weise ist die Maske aus einem Kunststoff- oder Metallmaterial, oder besteht aus einer Kunststoff- oder Metalllegierung. Grundsätzlich soll das Material der Maske die Funktion erfüllen, dass durch die Ausgestaltung der Maske ein Muster bzw. eine Form auf dem Trägersubstrat für das nicht wickelbare Material vorgegeben ist. Zudem soll das Material der Maske so ausgestaltet sein, dass die Maske von dem Trägersubstrat entfernbar ist. Vorzugsweise eignet sich als Trägersubstrat insbesondere eine Trägerbahn, auf die die Maske aufgebracht wird. In vorteilhafter Weise bildet dabei die Maske in Laufrichtung des Trägersubstrats aufeinanderfolgende Freiräume mit dazwischen liegenden Stegen. Vorzugsweise variieren dabei die Freiräume und die Stege in Ihrer Größe und werden vorteilhaft in Laufrichtung des Trägersubstrats intermittierend größer. Die Größe der Freiräume und der Stege werden dabei vorteilhaft so gewählt, dass die Abstände zwischen den Freiräumen und die Größe der Freiräume vorgeben, dass die nicht wickelbaren Materialien in einem als Flachwinkel ausgestalteten Zellwickel entlang der langen, horizontalen Ausrichtung liegen, d. h. außerhalb der Bogen- oder Rundungsbereiche des Zellwickels. Zudem wird durch die Maske vorgegeben, nämlich insbesondere durch die in Laufrichtung des Trägersubstrates intermittierend größer werdenden Freiräume und Stege, dass durch die Lage der Stege und deren Größe in den gebogenen Bereichen des Zellwickels, d. h. in den Rundungsbereichen, die Randabdichtung zwischen den Aktivschichten und den Keramikschichten vorgegeben ist. Insofern ist charakteristisch und vorteilhaft für die Ausgestaltung der verwendeten Maske, dass in Laufrichtung des Trägersubstrats die Freiräume zunehmend größer werden, als auch die Stege zwischen den Freiräumen in Laufrichtung größer werden. Bevorzugt sind dabei die Größe der Freiräume und der Stege so zu wählen, dass diese der Bahnlänge einer gewickelten Zelle entsprechen, wobei die Bahnlänge pro Umrundung, d. h. pro Wickel der Zelle von innen nach außen größer wird.
In vorteilhafter Weise wird in einem auf den Schritt a) folgenden Schritt b) in die Freiräume der Maske ein nicht wickelbares Material aufgebracht, wobei das in die jeweils nebeneinander liegenden Freiräume auf dem Trägersubstrat aufgebrachte Material durch die Stege der Maske unterbrochen ist. Bei dem nicht wickelbaren Material handelt es sich bevorzugt um eine keramische Masse. Die keramische Masse kann als Grünkörper eingebracht werden und bspw. durch anschließendes Sintern zur fertigen Keramik nachbehandelt werden. Bei dem Sinterprozess wird vorteilhaft eine aus einem Kunststoff-Polymer hergestellte Maske durch das Sintern weggebrannt oder kann alternativ vor dem Sintern von dem Trägersubstrat entfernt werden. Dem gegenüber kann eine aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellte Maske auch während des Sinterns auf dem Trägersubstrat verbleiben und kann anschließend an den Sinterprozess entfernt werden.
Beim Entfernen der Maske, nämlich nach dem Auftragen des nicht wickelbaren Materials, und hier bevorzugt vor oder nach dem Sinterprozess, verbleiben durch Entfernen der Stege zwischen dem in die aufeinanderfolgenden Freiräume aufgebrachten nicht wickelbaren Material jeweils ein Zwischenraum.
In vorteilhafter Weise wird in die Zwischenräume zwischen das in die aufeinanderfolgenden Freiräume aufgebrachte nicht wickelbare Material eine Füllmasse aufgetragen. Bei der Füllmasse handelt es sich in bevorzugter Weise um ein flexibles Material und besonders bevorzugt um ein Polymer oder eine Polymer-Verbindung.
In besonders bevorzugter Weise schließt dabei die Füllmasse und bevorzugt das Polymer oder die Polymerverbindung direkt an das nicht wickelbare Material an, und verbindet dadurch jeweils das in nebeneinander liegenden Freiräumen eingebrachte nicht wickelbare Material miteinander. Dadurch kann in bevorzugter Weise gewährleistet werden, dass eine Randabdichtung um das nicht wickelbare Material herum, d. h. vorteilhaft um die Lithium-Schutzschichten herum durchgängig ausgebildet ist, nämlich durch Ausbildung einer auf dem Trägersubstrat liegenden geschlossenen Schicht, die abwechselnd aus dem nicht wickelbaren Material und dem flexiblen Material besteht.
Nachdem das nicht wickelbare Material und das flexible Material auf dem Trägersubstrat aufgebracht wurden und diese eine geschlossene Schicht bilden, wird in einem folgenden Schritt i) die geschlossene Schicht von dem Trägersubstrat abgelöst, vorzugsweise in einem Umlaminierprozess, bei dem ein neues Substrat, welches vorzugsweise die Lithium-Anode ist, an die geschlossene Schicht gelegt wird. In vorteilhafter Weise erfolgt dabei das Ablösen des alten Trägersubstrates, welches nicht Teil des Zellwickels ist, und das Aufbringen des neuen Substrates, welches Teil des Zellwickels ist, gleichzeitig. Als neues Substrat kann außer der genannten Lithium-Anode auch die Kathode, oder ein Separator, vorzugsweise in Form einer Separator-Folie in Betracht kommen. Die geschlossene Schicht ist vorzugsweise eine Keramik-Polymer-Schicht, die auf einem Separator als neues Trägersubstrat in dem Umlaminierprozess aufgetragen wird. Die auf dem Separator aufgetragene geschlossene Schicht kann nun vorzugsweise zusammen mit einer Lithium-Anode sowie einer Kathode, die vorzugsweise auf einer Aluminium-Stromableiterfolie beschichtet sind, in einem folgenden Schritt f) zu einem Zellwickel gewickelt bzw. aufgewickelt werden. In erfindungsgemäßer Weise wird dabei durch die Vorgabe der aufeinanderfolgenden Freiräume mit den dazwischen liegenden Stegen und deren Größe das in die Freiräume eingebrachte nicht wickelbare Material beim Wickeln zu einem Zellwickel, vorzugsweise zu einem Flachwickel in den geraden Abschnitten des Flachwickels angeordnet. Demgegenüber wird die in die Zwischenräume auf bzw. eingebrachte Füllmasse beim Wickeln des Zellwickels in den gebogenen Abschnitten, d. h. in den Bogenbereichen bzw. Rundungen des als Flachwickel ausgestalteten Zellwickels angeordnet. Insofern kommen in den längeren waagerechten Teilen des Flachwickel die aus einem keramischen Material bestehenden nicht wickelbaren Materialien zum Liegen, wohingegen die in die Zwischenräume eingefüllte flexible Füllmasse, die vorzugsweise ein polymeres Material ist, in den Rundungen des Flachwickels zum Liegen kommt. Diese vorteilhafte Ausgestaltung des als Zellwickel ausgestalteten Flachwickels bewirkt, dass das nicht wickelbare Material, d. h. hier bevorzugt die Keramik, beim Wickeln keine zu engen Biegeradien erleidet und somit keinen Schaden nimmt. Das zwischen die jeweils in die Freiräume eingebrachte nicht wickelbare keramische Material liegende flexible Material, welches vorzugsweise als Polymer-Abschnitt bezeichnet wird, kommt erfindungsgemäß in den engeren Biegeradien des Zellwickels zum Liegen und nimmt aufgrund seiner Flexibilität beim Wickeln des Zellwickels keinen Schaden. Aufgrund der intermittierend aufeinanderfolgenden Freiräume bzw. Stege, die vorteilhaft in Laufrichtung des Trägersubstrats größer werden, kann vorzugsweise eingestellt werden, dass bei jeder Wickelung des Zellwickels, wobei bei jeder Wickelung des Zellwickels der Umfang des Wickels zunimmt, das nicht wickelbare Material, nämlich hier bevorzugt das keramische Material, immer in den flachen, hier vorzugsweise waagerechten Abschnitten des als Flachwickel ausgestalteten Zellwickels, bei jeder Wickelung zum Liegen kommt. Zudem kann durch die intermittierende Aufeinanderfolge der Freiräume und der Stege gewährleistet werden, dass das flexible Material, nämlich hier bevorzugt die polymere Füllmasse, immer in den Bogenabschnitte, d. h. in den Rundungen des Zellwickels, bei jeder Wickelung zum Liegen kommt. Bei der intermittierenden Aufeinanderfolge der Freiräume und Stege ist deshalb auch darauf zu achten, wie viele Schichten miteinander zu einem Zellwickel gewickelt werden sollen bzw. muss die Stärke jeder Schicht für die Berechnung der Geometrie der Zelle und damit für die Berechnung der intermittierenden Aufeinanderfolge der Freiräume und Stege in Betracht gezogen werden. Insofern bestimmen die Geometrie der Zelle und die Stärke der Schichten, bzw. die Anzahl der Lagen, d. h. die Anzahl der Schichten, die Größe der Freiräume und der Stege, sowie dessen intermittierende Aufeinanderfolge.
In vorteilhafter Weise sind die Freiräume und Stege, wie bereits beschrieben, so berechnet und ausgestaltet, dass die flexiblen Abschnitte, nämlich hier bevorzugt die Polymer-Abschnitte, in den Biegeradien zum Liegen kommen und dabei die Funktion übernehmen, dass die Ränder des Zellwickels abgedichtet werden. Dabei werden sowohl über die gekrümmten Bereiche, d. h. über die Biegeradien des Flachwickels, das über die flexiblen Bereiche miteinander in die Freiräume aufgebrachte verbundene nicht wickelbare Material, d. h. bevorzugt zwei Keramik-Abschnitte, miteinander verbunden und gegeneinander abgedichtet. Zudem wird durch das in den Biegebereichen, d. h. in den gekrümmten Bereichen des Flachwickels angeordnete flexible, vorzugsweise polymere Material die durch die Polymer-Schicht getrennten Materialien in der Längserstreckung des Zellwickels, d. h. orthogonal zu der Wickelung, gegeneinander abgedichtet.
Alternativ kann in dem Schritt f) des Verfahrens anstelle einer Lithium-Anode, die z.B. auf einer Kupfer-Stromableiterfolie beschichtet ist, und die durchgängig ist, auf die einzelnen Abschnitt des nicht wickelbaren Materials, nämlich hier vorteilhaft auf die Keramik-Abschnitte, jeweils ein Stück der auf einer Kupfer-Stromableiterfolie beschichteten Lithium-Anode angeordnet sein, wobei die einzelnen Stücke der Lithium-Anode in Laufrichtung des Trägersubstrates mit den größer werdenden Abschnitten des nicht wickelbaren Materials größer, d. h. länger, werden. In vorteilhafter Weise sind dabei die einzelnen Stücke der Lithium-Anode jeweils etwas kürzer als die Abschnitte des nicht wickelbaren Materials, um sicherzustellen, dass kein Lithium bei der Lade- bzw. Entladereaktion um die vorteilhaft als Keramik-Schutzschicht ausgestalteten nicht wickelbaren Materialien herum wandern kann. Um die Lithium-Stücke herzustellen, kann entweder wie beschrieben eine auf eine Kupfer-Stromableiterfolie beschichtete Lithium-Anode in Stücke geschnitten werden, bzw. können die Lithium-Stücke analog zu dem Verfahrensschritt a) mittels einer Maske und einem Trägersubstrat hergestellt werden, wobei anstelle des nicht wickelbaren Materials, wie in Schritt b) des Verfahrens beschrieben, Lithium in die Freiräume der Maske aufgebracht wird. Damit die einzelnen Lithium-Stücke in ihrer Größer von den Abschnitten des nicht wickelbaren Materials variieren, d. h. vorzugsweise die Länge der Abschnitte der Lithium-Stücke kleiner ist als die Länge der Abschnitte des nicht wickelbaren Materials, sind die Freiräume der Maske vorzugsweise kleiner als die Freiräume der Maske für das nicht wickelbare Material. Die auf dem Trägersubstrat aufgebrachten Lithium-Stücke, die in ihrer Größer variieren, d. h. bevorzugt in Laufrichtung des Trägersubstrats größer werden, können vorzugsweise, wie in dem Verfahrensschritt e) beschrieben, von dem Trägersubstrat auf die geschlossene Schicht, d. h. bevorzugt auf die Keramik-Polymer-Schicht umlaminiert werden.
In bevorzugter Weise eignet sich für das nicht wickelbare Material eine Keramik, insbesondere ein keramischer Lithium-Ionenleiter, bspw. Granate (z. B. LiLAZrO), Li-Phosphate (z. B. LiPON, LATP) oder Lithium-Sulfide (z.B. Li₂S mit P₂S₂). Als Polymer oder Polymerverbindung eignen sich vorteilhaft sowohl Lithium-ionenleitende (z. B. PEO) als auch isolierende Polymere (z. B. Epoxide, Acrylate, PS).
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft zur Herstellung aller primären und sekundären Lithium-Batterien eingesetzt werden, bei denen vorzugsweise metallisches Lithium als Anodenmaterial verwendet wird. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Batterien, die von einer dünnen und ionisch-leitfähigen Schutzschicht profitieren, die durch das erfindungsgemäße Verfahren aufgebracht werden kann.
Darüber hinaus ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Herstellung von Lithium-Batterien möglich, deren Anodenmaterial aus einer Lithium-Legierung sowie aus lithium-interkalierendem Graphit besteht. In vorteilhafter Weise ist dabei das Verfahren unabhängig von der Kathoden-Chemie bzw. -Struktur. Dementsprechend können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Batterien mit allen existierenden und denkbaren Kathodenmaterialien hergestellt werden.
Ein weiterer Erfindungsaspekt ist eine gewickelte Zelle mit wickelbaren und nicht wickelbaren Materialien, insbesondere mit an- oder übereinander liegenden Schichten aus wickelbaren und nicht wickelbaren Materialien, und die insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als Flachwickel hergestellt ist, welche die technische Lehre einschließt, dass die nicht wickelbaren Materialien in den geraden Abschnitten des Flachwickels angeordnet sind.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll als gewickelte Zelle oder als Flachwickel eine Batterie oder ein Akkumulator verstanden werden. Vorzugsweise ist bei der gewickelten Zelle ein üblicher flüssiger Elektrolyt durch einen Festkörperelektrolyten ersetzt.
Um hier Wiederholungen bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen gewickelten Zelle zu vermeiden, wird auf die Beschreibung der vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen und es wird vollumfänglich auf diese zurückgegriffen.
Grundsätzlich lässt sich die als vorzugsweise Flachwickel ausgestaltete gewickelte Zelle vorteilhaft in Elektrowerkzeugen, Gartengeräten, Computern, Notebooks, PDAs und Mobiltelefonen einsetzen. In noch bevorzugter Weise eignet sich die als Flachwickel gewickelte erfindungsgemäße Zelle zum Einsatz in Hybrid- und Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, und dabei insbesondere in Elektrokraftfahrzeugen. In besonders vorteilhafter Weise ist dabei die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte gewickelte Zelle, die als Flachwickel ausgestaltet ist, aufgrund der hohen Anforderungen an die Lebensdauer und Sicherheit der erfindungsgemäßen gewickelten Zelle für Hybrid-, Plug-in-Hybrid- und Elektrofahrzeuge geeignet.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigen:
1 eine schematische Skizze einer Maskierung eines Trägersubstrates mit einer Maske in einem „Rolle-zu-Rolle“-Prozess in einer Seitenansicht,
2 die Maskierung des Trägersubstrates mit einer Maske aus 1 in einer Draufsicht von oben,
3 die Maske aus 1 und 2 mit in den Freiräumen aufgebrachtem nicht wickelbarem Material,
4 die Maske aus 3 mit dem in den Freiräumen aufgebrachten nicht wickelbaren Material in einer Draufsicht von oben,
5 das Trägersubstrat aus den vorherigen Figuren mit entfernter Maske und den verbleibenden Abschnitten aus einem nicht wickelbaren Material in einer Seitenansicht,
6 das Trägersubstrat aus 5, wobei in die Zwischenräume zwischen den Abschnitten aus dem nicht wickelbaren Material eine Füllmasse eingefüllt wird, um eine geschlossenen Schicht auszubilden,
7 den Umlaminierprozess, bei dem das Trägersubstrat von der geschlossenen Schicht entfernt und ein neues Substrat aufgebracht wird,
8 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen gewickelten Zelle, die als Flachwickel ausgestaltet ist und
9 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen gewickelten Zelle, die als Flachwickel ausgestaltet ist.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Die 1 bis 7 zeigen skizzenhaft eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, welches als „Rolle-zu-Rolle“-Prozess ausgeführt ist. Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aber auch im Gegensatz zu dem hier dargestellten „Rolle-zu-Rolle“-Prozess auf einer planen Trägerbahn, d. h. auf einem planen Trägersubstrat, durchgeführt werden.
1 zeigt skizzenhaft in einer Seitenansicht ein Trägersubstrat 1, welches hier vorliegend als Trägerbahn ausgestaltet ist, das über zwei Rollen 2 und 3 geführt ist. Auf das Trägersubstrat 1 ist, wie in dem Verfahrensschritt a) beschrieben, eine Maske 4 aufgebracht. In Laufrichtung des Trägersubstrats 1 weist die Maske 4 aufeinanderfolgende Freiräume 5 auf, die durch jeweils einen zwischen zwei Freiräumen 5 liegenden Steg 6 voneinander getrennt sind. Wie zu erkennen ist, variieren sowohl die Freiräume 5 als auch die Stege 6 in Laufrichtung des Trägersubstrats 1, wobei diese wie dargestellt in Laufrichtung des Trägersubstrates nämlich von der Rolle 2 zu der Rolle 3 intermittierend größer werden. Als Trägersubstrat 1 kann bspw. eine Aluminiumfolie oder -bahn dienen, wobei das Trägersubstrat 1, wie in 1 dargestellt ist, nicht Schicht bzw. Bestandteil der Zelle 15 ist.
In 2 ist die Maske 4 aus 1 in einer Draufsicht von oben dargestellt. Das Trägersubstrat 1, auf dem die Maske aufliegt, bildet den Boden der Freiräume 5, die wie dargestellt durch die Stege 6 und einen seitlichen Rand 7 abgegrenzt sind. Die Freiräume 5 und die Stege 6 bilden ein Muster bzw. eine Schablone oder Form für das Auftragen eines nicht wickelbaren Materials 8 und für den späteren Verfahrensschritt d) die Vorlage für das Aufbringen bzw. Auftragen einer flexiblen Füllmasse 9, die an die Stelle der Stege 6 der Maske 4 tritt. Da wie in 2 dargestellt, die Freiräume umrandet ausgestaltet sind und die Trägerbahn den Boden der Freiräume 5 ausbildet, sind die Freiräume 5 in vorteilhafter Weise als Gießwannen ausgestaltet. Insofern kann das nicht wickelbare Material, welches vorzugsweise eine Keramik ist, in die Freiräume 5 eingegossen oder in irgendeiner anderen Form in die Freiräume 5 eingebracht bzw. aufgetragen werden.
3 zeigt das in dem Verfahrensschritt b) in die Freiräume 5 aufgetragene bzw. aufgebrachte nicht wickelbare Material 8. Das nicht wickelbare Material 8 bildet dabei einzelne Abschnitte, die in ihre Größe variieren, d. h. vorliegend in Laufrichtung des Trägersubstrates 1, nämlich in Laufrichtung von der Rolle 2 zur Rolle 3, intermittierend größer werden.
In der 4 ist die Maske 4 mit dem in die Freiräumen 5 aufgebrachten nicht wickelbaren Material 8 in einer Draufsicht von oben dargestellt. Bei dem nicht wickelbaren Material 8 handelt es sich bevorzugt um eine keramische Masse. Die keramische Masse, d. h. die Keramik kann als Grünkörper in die Freiräume 5 der Maske 4 eingebracht werden und kann durch anschließendes Sintern zur fertigen Keramik nachbehandelt werden. Ist die Maske 4 aus einem polymeren Material kann dieses in dem Sinterprozess weggebrannt oder vor dem Sintern entfernt werden. Ist die Maske 4 aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt, kann diese während des Sinterns auf dem Trägersubstrat 1 verbleiben und nach dem Sintern entfernt werden.
In der 5 ist das Trägersubstrat 1 nach Entfernung der Maske 4, wie in dem Verfahrensschritt c) beschrieben, dargestellt. Zwischen den einzelnen Abschnitten, die aus dem nicht wickelbaren Material 8 auf dem Trägersubstrat gebildet sind, entstehen durch Demaskierung, d. h. durch Entfernung der Maske 4, an den Stellen der Stege 6 Zwischenräume 10, die die durch die Freiräume 5 gebildeten Abschnitte des nicht wickelbaren Materials 8 zueinander beabstanden. Die Größe der Beabstandung, d. h. die Größe bzw. die Größenveränderung der Zwischenräume 10, ist dabei so angepasst, dass beim Wickeln einer Zelle 15 die Zwischenräume in den Biege- bzw. Bogenbereichen der Zelle 15 liegen.
In 6 ist gezeigt, wie gemäß dem Verfahrensschritt d) eine Füllmasse 9, die ein flexibles Material ausbildet, in die Zwischenräume 10 zwischen dem in die aufeinanderfolgenden Freiräume 5 aufgebrachten nicht wickelbaren Material aufgetragen wird. Bei dem flexiblen Material, das in die Zwischenräume 10 auf- bzw. eingetragen wird, handelt es sich bevorzugt um ein Polymer, das wie hier dargestellt über ein Auslasselement 12 beim Verfahren des Trägersubstrates 1 in Laufrichtung, d. h. von der Rolle 2 zur Rolle 3 in die Zwischenräume 10 eingetragen wird. Gemeinsam mit den Abschnitten aus dem nicht wickelbaren Material 8, das vorzugsweise ein keramisches Material ist, wird eine geschlossene Schicht 13 gebildet, die auf dem Trägersubstrat 1 liegt. Die geschlossene Schicht 13 besteht dabei abwechselnd aus Keramik- und Polymer-Abschnitten. Dabei nehmen sowohl die Keramik- als auch die Polymer-Abschnitte in Laufrichtung des Trägersubstrates 1 zu, d. h. diese werden größer.
7 zeigt den Verfahrensschritt e) des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die geschlossene Schicht 13 von dem Trägersubstrat 1 abgelöst und dabei gleichzeitig auf ein neues Substrat 14 aufgebracht wird, das Bestandteil des Zellwickels ist. Vorliegend wird in der Darstellung 7 das Trägersubstrat 1 unterhalb der geschlossenen Schicht 13 von der geschlossenen Schicht 13 entfernt und oberhalb der Schicht 13 wird das in Laufrichtung über die Rollen 2,1 und 3.1 geführte neue Substrat 14 auf die geschlossene Schicht 13 aufgebracht. Bei dem neuen Substrat 14 handelt es sich bevorzugt um eine Separatorfolie, Lithium oder um eine auf eine Trägerbahn geschichtete Kathode. In vorteilhafter Weise ist während des Umlaminierprozesses, wie in 7 dargestellt, die in die Zwischenräume 10 eingefüllte Füllmasse (s. 6) noch nicht ausgehärtet bzw. noch unvernetzt. Die Aushärtung bzw. Vernetzung der vorzugsweise als Polymer 11 ausgestalteten Füllmasse 9 erfolgt vorzugsweise nach dem Wickeln der geschlossenen Schicht 13 mit dem darauf angeordneten neuen Substrat 14 zu einem Zellwickel. D. h. dass die Aushärtung bzw. die Vernetzung der Füllmasse in vorteilhafter Weise erst in dem gewickelten Zellwickel 15 erfolgt.
Die 8 und 9 zeigen zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen gewickelten Zelle 15 mit wickelbaren und nicht wickelbaren Materialien, die insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als Flachwickel 16 hergestellt sind. Erfindungsgemäß kommen die durch die Maske in Schritt a) eingestellten Abstände und Längen für die nicht wickelbaren Materialien 17 beim Wickeln zu dem Flachwickel 16 in den längeren waagerechten Teilen des Flachwickels 16 zum Liegen. Die zwischen die „Abschnitte“ mit dem nicht wickelbaren Material 17 eingefügten Füllmasse-Polymer-„Abschnitte“ 9, 11 liegen dagegen in den Rundungen des Flachwickels 16. Dadurch kann verhindert werden, dass die nicht wickelbaren Materialien 17 durch Wickeln in zu engen Biegeradien keinen Schaden nehmen. Oberhalb der geschlossenen Schicht 13, die durch das nicht wickelbare Material 17 und das als Füllmasse 9 eingesetzte Polymer 11 gebildet wird, ist als neues Substrat 14 eine Lithium-Anode 14.1 angelegt. Dabei kann es sich um einen Kupfer-Stromableiter handeln, der beidseitig mit Lithium beschichtet ist. Auf der gegenüberliegenden Seite zu dem neuen Substrat 14, 14.1 ist an der geschlossenen Schicht 13 als neues Substrat 14 eine Kathode 14.2 angelegt. Die Kathode 14.2 weist vorzugsweise einen Stromableiter auf, der beidseitig mit Aktivmaterial beschichtet ist. Für die Funktionsweise der hier dargestellten gewickelten Zelle 15 ist maßgeblich, dass das nicht wickelbare Material 17, welches vorzugsweise eine Keramik ist, ionenleitend, bevorzugt lithium-ionenleitend ist. Demgegenüber ist das Polymer 9 für Lithium-Ionen undurchlässig.
Die in 9 dargestellte, als Flachwickel 16 gewickelte Zelle 15 zeigt eine alternative Ausführung der erfindungsgemäßen gewickelten Zelle 15. Anders als in 8 ist die Zelle 15 nicht mit einer durchgängigen Lithium-Folie 14.1 gewickelt, sondern mit diskreten Lithium-Stücken 140. Die Lithium-Stücke 140 werden in Laufrichtung der gewickelten Zelle 15, d. h. bei jedem Wickel von Innen nach Außen der Zelle 15 länger. Die Lithium-Stücke 140 liegen direkt auf den Abschnitten mit dem nicht wickelbaren Material 17. Dabei sind die Lithium-Stücke 140 kürzer als die Abschnitte mit dem nicht wickelbaren Material 17. Dadurch wird sichergestellt, dass kein Lithium bei der Lade- bzw. Entladereaktion um das vorzugsweise aus einer Keramik-Schutzschicht ausgestaltete nicht wickelbare Material 17 herum wandern kann. Als Anoden-Stromableiter dient der in 9 dargestellte Anoden-Stromableiter 18.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Zelle (15, 16), insbesondere einer Lithium-Ionen-Zelle, wobei wickelbare und zunächst nicht wickelbare Materialien (17), insbesondere in Schichten aus wickelbaren und nicht wickelbaren Materialien (17), miteinander zu einem Zellwickel (15) gewickelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wickelbare Material mit dem zunächst nicht wickelbaren Material (17) intermittierend verbunden wird, wobei das zunächst nicht wickelbare Material mit dem wickelbaren Material (17) insgesamt ein wickelbares Verbundmaterial bildet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt a) eine Maske (4) auf ein Trägersubstrat (1), insbesondere eine Trägerbahn, aufgebracht wird, wobei die Maske (4) in Laufrichtung des Trägersubstrats (1) aufeinanderfolgende Freiräume (5) mit dazwischen liegenden Stegen (6) bildet, wobei die Freiräume (5) und die Stege (6) in ihrer Größe variieren, insbesondere in Laufrichtung des Trägersubstrates (1) intermittierend größer werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt b) in die Freiräume (5) der Maske (4) ein nicht wickelbares Material (17) aufgebracht wird, wobei das in die Freiräume (5) aufgebrachte Material (17) durch die Stege (6) unterbrochen ist, und/oder in einem Schritt c) die Maske (4) von dem Trägersubstrat (1) entfernt wird und das nicht wickelbare Material (17) auf dem Trägersubstrat (1) verbleibt, wobei durch Entfernen der Stege (6) zwischen dem in die aufeinanderfolgenden Freiräume (5) aufgebrachten nicht wickelbaren Material (17) jeweils ein Zwischenraum (10) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt d) in die Zwischenräume (10) zwischen dem in die aufeinanderfolgenden Freiräume (5) aufgebrachten nicht wickelbaren Material (17) eine Füllmasse (9) aufgetragen wird, die ein flexibles Material ausbildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmasse (9) ein Polymer (11) ist, das mit dem nicht wickelbaren Material (17) eine auf dem Trägersubstrat (1) liegende geschlossene Schicht (13) bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt e) die geschlossene Schicht (13) in einem Umlaminierschritt von dem Trägersubstrat (1) abgelöst und vorzugsweise gleichzeitig auf ein neues Substrat (14) aufgebracht wird, das Bestandteil des Zellwickels (15) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt f) das neue Substrat (14) mit der geschlossenen Schicht (13), mit einer Anode (14.1) und einer Kathode (14.2), die vorzugsweise auf einem Folienmaterial beschichtet sind, zu einem Zellwickel (15) gewickelt werden, wobei das durch Vorgabe durch die aufeinanderfolgenden Freiräume (5) mit den dazwischen liegenden Stegen (6) auf dem Trägersubstrat (1) angeordnete nicht wickelbare Material (17) beim Wickeln zu einem Flachwinkel (16) in geraden Abschnitten des Flachwickels (16) angeordnet wird, und wobei die in die Zwischenräume (10) aufgebrachte Füllmasse (9) in gebogenen Abschnitten des Flachwickels (16) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Material der Füllmasse (9) nach dem Wickeln in den gebogenen Abschnitten des Flachwickels (16) aushärtet und/oder vernetzt.
Gewickelte Zelle (15) mit wickelbaren und nicht wickelbaren Materialien (17), insbesondere mit an- oder übereinander liegenden Schichten aus wickelbaren und nicht wickelbaren Materialien, welche insbesondere ein nach dem Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen hergestellter Flachwickel (16) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht wickelbare Material (17) in den geraden Abschnitten des Flachwickels (16) angeordnet ist.