DE102015116095A1

DE102015116095A1 - Batteriezelle

Info

Publication number: DE102015116095A1
Application number: DE102015116095.1A
Authority: DE
Inventors: Frank Säuberlich; Henrik Buschmann
Original assignee: SCHMID ENERGY SYSTEMS GmbH
Current assignee: SCHMID ENERGY SYSTEMS GmbH
Priority date: 2015-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2017-03-23

Abstract

Es wird eine Batteriezelle (10), insbesondere eine Dünnschicht-Batteriezelle, angegeben, mit einer ersten Zelle (12) mit einer ersten Elektrode (22), einem Elektrolyten (20) und einer zweiten Elektrode (18), und mit einer zweiten Zelle (14) mit einer ersten Elektrode (22), einem Elektrolyten (20) und einer zweiten Elektrode (18), wobei die erste Zelle um eine Faltlinie (35) auf die zweite Zelle (14) gefaltet ist, derart, dass die beiden ersten Elektroden (22) zumindest teilweise übereinander liegen und über einen gemeinsamen ersten Elektrodenanschluss (24) kontaktiert sind und dass die beiden zweiten Elektroden (18) auf einem gemeinsamen Substrat (16) gebildet sind, das die beiden Zellen (12, 14) umschließt und verkapselt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Dünnschicht-Batteriezelle, mit einer Anode, einem Elektrolyten, einer Kathode und einer Umhausung.
Zur Herstellung von Dünnschicht-Batteriezellen und hieraus zusammengesetzten Batterie-Stapeln sind zahlreiche Verfahren bekannt.
Bei der Herstellung von flexiblen Dünnschicht-Batteriezellen werden im Stand der Technik mehrere Folien verwendet, um die Zelle zu verkapseln. Hierbei kann im günstigsten Fall bei flexiblen Substraten auch das Substrat eine der Folien sein, die mit einer weiteren Folie abgedeckt wird. Die Gesamtdicke der Dünnschicht-Batteriezelle bzw. eines hieraus gebildeten Zellstapels wird hierbei immer von den Folien bestimmt, da diese Prinzipbedingt um ein Vielfaches dicker sein werden, als die funktionellen Schichten (Anode, Kathode, Elektrolyt) der Batterie. Auf diese Weise werden Dünnschicht-Batteriestapel aus einer Vielzahl von Zellen deutlich dicker, als sie aufgrund ihrer eigentlichen, funktionalen Schichtdicke sein müssten.
In der US 2014/0265915 A1 wird die Herstellung von Dünnschicht-Batteriezellen und hieraus gebildeten Batteriestapeln in verschiedenen Varianten erläutert.
Bei einigen Batteriestapeln werden benachbarte Batteriezellen über einen gemeinsamen Kathoden-Konnektor miteinander verbunden und in einem Gehäuse eingeschlossen. Alternativ können auch die Anoden benachbarter Zellen über einen gemeinsamen Anodenkollektor kontaktiert sein. Gemäß der US 2014/0265915 A1 wird zur Verringerung der Dicke das Substrat ausgedünnt oder entfernt. Hierdurch kann eine verkleinerte Zelldicke erreicht werden, jedoch sind hierzu Transferfolien oder -platten notwendig, um die nur wenige Mikrometer dicken Zellen zu handhaben und zu prozessieren. Dies führt zu einer Zunahme der notwendigen Prozessschritte und erfordert in der Regel zusätzliches Verbrauchsmaterial.
Aus Wendler M., Krebs M., Huebner G.; "Development of Printed Thin and Flexible Batteries"; IC International Circular of Graphic Education and Research; No 4 2011 p. 32–41 ist es bekannt, bei der Herstellung von Dünnschicht-Batteriezellen zwei benachbarte Zellhälften auf einem gemeinsamen Substrat aufzubringen. Dazu wird auf der einen Zellhälfte eine Anodenschicht mit einer darüber angeordneten Separator-/Elektrolytschicht aufgebracht und auf der benachbarten Zellhälfte wird eine Kathodenschicht mit einer darüber angeordneten Separator-/Elektrolytschicht aufgebracht. Die beiden Zell-Hälften werden anschließend aufeinander gefaltet und am Rand durch die Zufuhr von Wärme heißversiegelt.
Durch eine derartige Anordnung und ein derartiges Verfahren lässt sich zwar eine Dünnschicht-Batteriezelle aus zwei Hälften aufbauen, jedoch ergibt sich aus hierbei durch die jeweilige Abdichtung zwischen zwei Zellhälften eine Gesamtdicke, die aus der Summe der einzelnen Schichten resultiert und zusätzlich durch die Separatorschicht jeder Zelle vergrößert wird.
Durch die Dicke einer Zelle bzw. eines Zellstapels wird jedoch die Energiedichte einer Batterie bzw. eines Batteriestapels begrenzt.
Das Bestreben bei der Entwicklung von fortschrittlichen Batteriesystemen geht somit dahin, die Dicke einer Batteriezelle bzw. die Stärke eines Batteriestapels so gering wie möglich zu halten, um eine möglichst hohe Energiedichte zu erreichen.
Werden aus einzelnen Zellen Batteriestapel gebildet, und werden hierbei die einzelnen Zellen nicht einzeln verkapselt, so sind die Zellen empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff. Ohne Verkapselung müssen die Zellen daher in speziellen, trockenen Umgebungen gehandhabt werden, bis sie beispielsweise nach dem Zusammenfügen eines Zellstapels vollständig verkapselt werden. Dies bedeutet, dass bis zur Verkapselung die Handhabung der Zellen unter Trockenraumbedingungen erfolgen muss. Dies bedeutet eine komplizierte Handhabung und hohe Betriebskosten.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Batteriezelle, insbesondere eine Dünnschicht-Batteriezelle, anzugeben, die randseitig abgedichtet ist und eine möglichst geringe Dicke aufweist.
Ferner soll ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batteriezelle angegeben werden. Schließlich sollen ein Batteriestapel bestehend aus derartigen Batteriezellen und ein geeignetes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Batteriestapels angegeben werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Batteriezelle, insbesondere eine Dünnschicht-Batteriezelle, mit einer ersten Zelle mit einer ersten Elektrode, einem Elektrolyten und einer zweiten Elektrode, und mit einer zweiten Zelle mit einer ersten Elektrode, einem Elektrolyten und einer zweiten Elektrode gelöst, wobei die erste Zelle um eine Faltlinie auf die zweite Zelle gefaltet ist, derart, dass die beiden ersten Elektroden zumindest teilweise übereinander liegen und über einen gemeinsamen Elektrodenanschluss kontaktiert sind und dass die beiden zweiten Elektroden auf einem gemeinsamen Substrat gebildet sind, das die beiden Zellen umschließt und verkapselt.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Dadurch, dass eine vollständige erste Zelle mit erster Elektrode, Elektrolyten und zweiter Elektrode und eine vollständige zweite Zelle mit erster Elektrode, Elektrolyten und zweiter Elektrode auf die zweite Zelle gefaltet wird, ist eine gemeinsame Kontaktierung über einen gemeinsamen Elektrodenanschluss gewährleistet und gleichzeitig eine Verkapselung der so aus zwei Einzelzellen gebildeten Doppelzelle gewährleistet.
Dies führt zu einer geringen Gesamtdicke, da das gemeinsame Substrat randseitig zur Abdichtung der so gebildeten Doppelzelle verwendet wird. Im Zellaufbau sind daher keine gesonderten Folien zur Abdichtung notwendig, und durch die randseitige Abdichtung des Substrates wird die Dicke der Zelle nicht vergrößert. Da jeweils eine Doppelzelle verkapselt ist, wird eine vereinfachte Handhabung bei der späteren Stapelbildung ermöglicht, ohne dass hierzu Trockenraumbedingungen notwendig sind.
Es versteht sich, dass darüber hinaus weitere Schichten verwendet werden können, beispielsweise funktionsoptimierende Schichten an den Grenzflächen und Oberflächen, wie etwa eine Metallschicht zwischen Substrat und Kathode, eine Metallschicht auf der Anode usw. Es versteht sich ferner, dass die einzelnen Schichten einschließlich der Elektrolytschicht aus mehreren Schichten bestehen können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das gemeinsame Substrat als zweiter Elektrodenanschluss zur Kontaktierung der zweiten Elektroden ausgebildet.
Auf diese Weise wird das gemeinsame Substrat, das die beiden Zellen ohnehin umschließt, gleichzeitig zur Herstellung des zweiten Elektrodenanschlusses zur Kontaktierung der zweiten Elektroden genutzt.
Hierdurch wird der Aufbau der Batteriezelle vereinfacht.
Der erfindungsgemäße Aufbau der Batteriezelle kann für verschiedene Batterietypen verwendet werden.
Geeignete Materialien für die Anodenschicht und die Kathodenschicht schließen u. a. Folgendes ein: Lithium, Lithiumcobaltoxid, Lithiumeisenphosphat und andere Lithiummetallphosphate, Lithiummanganoxid, Kohlenstoff, Graphit oder Graphit, das mit Lithiumionen dotiert ist. Beispielsweise kann die Anodenschicht aus Lithium bestehen und die Kathodenschicht aus Lithiumcobaltoxid (LiCoO₂) bestehen. Alternativ kann die Anodenschicht aus Lithiumcobaltoxid, einem anderen Lithiumphosphat oder einem Metalloxidmaterial bestehen und die Kathodenschicht kann aus Graphit, einem mit Lithiumionen dotierten Graphit oder einem Material auf Lithiumbasis bestehen.
Zu geeigneten Materialien für die Elektrolytschicht gehören Feststoffelektrolyten, wobei es sich typischerweise um ein Polymer handelt, welches mit einem Lithiumsalz (z. B. LiPF6, LiBOB, LiTFSi) vermischt ist bzw. in dem ein Lithiumsalz gelöst ist. Auch anorganische Festelektrolytschichten sind denkbar. Auch Mischungen eines Polymers (mit oder ohne Lithiumsalz) mit darin verteilten Partikeln eines Feststoffes sind denkbar. Dabei kann der Feststoff aus Lithium-leitfähigen Partikeln (Festelektrolyt) sowie aus inerten Partikeln (z. B. Al₂O₃, TiO₂) bestehen.
Ferner kann die Elektrodenschicht auch ein Separatormaterial umfassen, z. B. in Form eines glasigen oder festen Dünnfilm-Elektrolytseparators.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten Elektroden als Anoden ausgebildet und die zweiten Elektroden als Kathoden ausgebildet, oder umgekehrt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist eine der beiden Zellen im Vergleich zur anderen der beiden Zellen einen verkleinerten aktiven Bereich auf, derart, dass bei der Faltung ein Freiraum entsteht, in dem der gemeinsame erste Elektrodenanschluss aufgenommen ist, ohne dass die Dicke der Batteriezelle durch den ersten Elektrodenanschluss vergrößert ist.
Dies ist eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung, da durch eine geringfügige Verkleinerung des aktiven Bereiches einer Zelle ein Freiraum geschaffen wird, in dem der erste Elektrodenanschluss zur Kontaktierung der beiden ersten aufeinanderliegenden Elektroden aufgenommen werden kann. Durch die Ausnutzung des so geschaffenen Freiraums wird eine Vergrößerung der Zelldicke durch den gemeinsamen ersten Elektrodenanschluss verhindert.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der gemeinsame erste Elektrodenanschluss als Kontaktfahne ausgebildet, die vorzugsweise mit mindestens einem Kontaktgitter zwischen den beiden ersten Elektroden in Verbindung steht.
Auf diese Weise ist eine gute Kontaktierung der beiden ersten Elektroden gewährleistet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Zellen randseitig an dem aufeinanderliegenden Substrat abgedichtet.
Dies kann etwa dadurch erfolgen, dass die beiden Zellen miteinander randseitig verklebt oder heißversiegelt sind.
Alternativ können die beiden Zellen zumindest teilweise durch eine Verschweißung des Substrates abgedichtet sein. Im Bereich des gemeinsamen ersten Elektrodenanschlusses erfolgt dagegen nach wie vor eine Abdichtung über einen Kleber, um einen Kurzschluss zu vermeiden.
Auf diese Weise kann eine besonders hohe Festigkeit der randseitigen Abdichtung gewährleistet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat als Metallfolie, insbesondere als Aluminiumfolie oder Stahlfolie, ausgebildet.
Auf diese Weise ist das Substrat elektrisch leitfähig, so dass dies zur Kontaktierung der zweiten Elektroden genutzt werden kann. Bei einer Ausgestaltung als Metallfolie ergibt sich eine sehr robuste und dauerhafte Ausführung. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, als Substrat eine metallisierte Kunststofffolie zu verwenden.
Durch die Erfindung wird ferner ein Batteriestapel mit einer Mehrzahl von Batteriezellen gemäß der vorstehend beschriebenen Art angegeben, bei denen die Batteriezellen übereinander gestapelt sind und die übereinander angeordneten Elektrodenanschlüsse für Kathode und Anode jeweils miteinander verbunden sind, insbesondere durch Nieten oder durch Busbars, miteinander verbunden sind.
Auf diese Weise lässt sich ein Batteriestapel mit einer hohen Energiedichte auf besonders einfache Weise herstellen.
Obwohl die Doppelzellen, aus denen ein Batteriestapel zusammengesetzt sein kann, erfindungsgemäß jeweils einzeln verkapselt sind, kann der Batteriestapel zusätzlich durch ein Gehäuse umschlossen sein.
Dies ist sinnvoll, sofern eine besonders hohe Sicherheit gegen aggressive Umwelteinflüsse, wie etwa korrosive Medien etc., gegeben sein soll.
Ein geeignetes Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Batteriezelle weist die folgenden Schritte auf:

(a) Bereitstellen einer Substratfolie;
(b) Abscheiden von Schichten auf der Substratfolie, um eine erste Elektrodenschicht, eine Elektrolytschicht und eine zweite Elektrodenschicht zu bilden;
(c) Definieren von Zellen durch selektives Abtragen, insbesondere mittels eines Lasers;
(d) Selektives Applizieren von Dichtungsmaterial zur späteren Verklebung und Abdichtung von Doppelzellen;
(e) Abtrennen jeweils einer aus zwei benachbarten Zellen bestehenden Doppelzelle von der Substratfolie, insbesondere mittels eines Lasers;
(f) Applizieren eines ersten Elektrodenanschlusses auf mindestens eine der ersten Elektroden der beiden Zellen einer Doppelzelle;
(g) Falten der beiden Zellen einer Doppelzelle, so dass die beiden ersten Elektroden zumindest teilweise aufeinander zu liegen kommen und über den ersten Elektrodenanschluss gemeinsam kontaktiert werden und
(h) randseitiges Versiegeln der Substratfolie zur Bildung einer abgedichteten Batteriezelle bestehend aus zwei miteinander parallel geschalteten einzelnen Zellen.

Die Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte muss dabei nicht notwendigerweise in der angegebenen Folge sein.
Ein derartiges Verfahren ermöglicht eine besonders einfache Herstellung und ist an eine Rolle-zu-Rolle-Herstellung angepasst. Da vorzugsweise erst mit dem Schritt (e) ein Abtrennen jeweils einer Doppelzelle erfolgt, können die meisten Schritte im Rolle-zu-Rolle-Verfahren (roll-to-roll) durchgeführt werden, was eine einfache und kostengünstige Herstellung ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird im Schritt (f) beim Applizieren des ersten Elektrodenanschlusses eine Kontaktfahne auf eine der beiden ersten Elektroden appliziert.
Auf diese Weise kann die Kontaktierung des ersten Elektrodenanschlusses auf besonders einfache Weise erfolgen.
In zusätzlicher Weiterbildung der Erfindung wird im Schritt (f) beim Applizieren des ersten Elektrodenanschlusses ein Kontaktgitter auf mindestens eine der beiden ersten Elektroden der Doppelzelle appliziert.
Auf diese Weise wird eine flächige Kontaktierung der beiden ersten Elektroden gewährleistet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Substratfolie als zweiter Elektrodenanschluss zur Kontaktierung der zweiten Elektroden verwendet.
Dies ermöglicht eine besonders einfache und platzsparende Konfiguration.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird im Schritt (c) zunächst eine Schicht zur Freilegung der Anode und des Elektrolyts abgetragen, dann eine Schicht zur Freilegung der Kathode abgetragen, bevor das Substrat in einem späteren Schritt durchtrennt wird.
Durch ein derartiges Verfahren ist gewährleistet, dass ein durch das subtraktive Abtragungsverfahren (etwa mittels eines Lasers) bedingter Kurzschluss vermieden wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Doppelzellen derart definiert, dass eine der Zellen im Vergleich zur anderen der beiden Zellen einen verkleinerten aktiven Bereich aufweist, derart, dass bei der späteren Faltung im Schritt (g) ein Freiraum entsteht, in dem der gemeinsame erste Elektrodenanschluss aufgenommen ist, ohne dass die Dicke der Batteriezelle durch den ersten Elektrodenanschluss vergrößert ist.
Dies ist eine besonders vorteilhafte Ausführung, durch die durch nur eine geringfügige Verkleinerung der aktiven Fläche einer Zelle gewährleistet werden kann, dass eine Kontaktierung der beiden ersten Elektroden über den ersten Elektrodenanschluss ermöglicht ist, ohne dass die Dicke der Doppelzelle hierdurch vergrößert wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Dichtungsmaterial bzw. der Kleber zur Abdichtung der Doppelzelle im Schritt (d) selektiv zumindest randseitig aufgetragen, der im Schritt (h) zur randseitigen Versiegelung der Zelle dient.
Auf diese Weise ist eine vollständige Abdichtung jeder Doppelzelle auf einfache Weise gewährleistet.
Gemäß einer Variante der Erfindung wird die Substratfolie im Schritt (h) verschweißt, um die Zelle randseitig abzudichten, wobei im Bereich des ersten Elektrodenanschlusses eine Abdichtung durch einen Kleber erfolgt.
Auch auf diese Weise ist eine sichere Abdichtung der Doppelzelle gewährleistet. Durch eine weitgehende Verschweißung kann eine noch robustere Abdichtung erzielt werden im Vergleich zu einer Abdichtung nur mittels eines Klebers.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung erfolgt die Faltung um eine mittig zwischen den beiden Rändern eines Substratbandes verlaufende Faltlinie, wobei vorzugsweise in Querrichtung des Substrates nur zwei Folgen von angrenzenden Zellen definiert werden.
Eine derartige Verfahrensführung bietet den Vorteil, dass sowohl das Versiegelungsmaterial als auch die Kontaktanschlüsse vor der späteren Vereinzelung aufgebracht werden können. So kann das Rolle-zu-Rolle-Verfahren besonders effektiv genutzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung wird eine Mehrzahl von Zellen nach ihrer Herstellung gemäß der vorstehend beschriebenen Schritte aufeinandergestapelt und die übereinander angeordneten Kontaktpunkte der Elektrodenanschlüsse für Anode und Kathode miteinander elektrisch verbunden, insbesondere durch Anbringen von Nieten oder durch Busbars.
Auf diese Weise kann ein besonders kompakter Batteriestapel aus einer Vielzahl von Doppelzellen hergestellt und elektrisch kontaktiert werden.
Soweit gewünscht, kann der Batteriestapel zusätzlich noch durch ein umschließendes Gehäuse abgedichtet werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1a einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle, wobei in der rechten Hälfte ein Ausschnitt nochmals vergrößert dargestellt ist;
1b eine Seitenansicht der Batteriezelle gemäß 1a
1c eine Aufsicht auf die Batteriezelle gemäß 1a;
2 eine beispielhafte Übersicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Batteriezelle bzw. eines daraus gebildeten Zellstapels, in Form eines Flussdiagramms;
3 eine Aufsicht auf das Substrat in einem Roll-to-Roll-Prozess mit applizierten Zellschichten und einer nachfolgend angedeuteten Laserstrukturierung zur Definition einzelner Zellen;
4 eine vergrößerte Darstellung der Definition einzelner Zellen und der Definition von Doppelzellen;
4a eine gegenüber 4 abgewandelte Ausführung, bei der auf einem Band in Querrichtung lediglich zwei Zellen benachbart sind und die Faltlinie in Längsrichtung des Bandes in der Mitte verläuft;
5 einen Querschnitt eines Bereichs zwischen zwei benachbarten Zellen, die durch einen Schnitt voneinander getrennt wurden;
6 eine Doppelzelle nach dem Heraustrennen im oberen Teil in einer Aufsicht, im unteren Teil in einer Ansicht von vorne und im rechten Teil in vergrößerter Schnittdarstellung;
7 die Doppelzelle gemäß 6 nach der Applikation einer Kontaktfahne und eines Kontaktgitters für den Anodenanschluss und nach dem Auftragen von randseitigem Klebematerial zur späteren Abdichtung nach dem Falten;
8 eine leicht gegenüber der Ausführung gemäß 6 abgewandelte Ausführung der Doppelzelle, wobei die aktive Fläche der einen Zelle zwecks Aufnahme der Kontaktfahne etwas verkleinert ist;
9 die Doppelzelle gemäß 8 nach der Applikation der Kontaktfahne und dem Auftragen von Dichtungsmaterial für die spätere Faltung;
9a eine Seitenansicht der Doppelzelle gemäß 9 nach dem Falten;
9b einen vergrößerten Querschnitt der Doppelzelle gemäß 9a
10 einen Batteriestapel gebildet aus einer Folge von Batteriezellen gemäß 1, in der linken Hälfte in der Aufsicht von oben und in der rechten Hälfte im Querschnitt, wobei die Anodenanschlüsse und Kathodenanschlüsse durch Nieten verbunden sind;
11 eine alternative Ausführung des Batteriestapels gemäß 10, wiederum in der linken Hälfte in der Aufsicht von oben und in der rechten Hälfte im Querschnitt, wobei zur Kontaktierung Busbars verwendet sind, und
12 eine weitere alternative Ausführung des Batteriestapels gemäß 11, der zusätzlich noch mittels eines Gehäuses verkapselt ist.
Es versteht sich, dass sämtliche Figuren lediglich der Erläuterung dienen und zum Zwecke der besseren Erkennbarkeit teilweise nicht maßstabsgerecht sind und/oder einzelne Teile im Verhältnis zu den übrigen Teilen vergrößert dargestellt sein können.
1a zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle, die insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet ist.
Die Batteriezelle 10 (im Folgenden auch teilweise als Doppelzelle bezeichnet) besteht aus zwei einzelnen Zellen 12, 14, die auf einem gemeinsamen Substrat 16, beispielsweise in Form einer Aluminiumfolie, erzeugt sind. Die beiden Zellen 12, 14 sind aufeinander gefaltet. Dabei sind die aktiven Bereiche der Zellen randseitig am gemeinsamen Substrat 16 verkapselt und abgedichtet.
Die Batteriezelle 10, die in 1b zusätzlich in der Seitenansicht und in 1c in der Aufsicht gezeigt ist, weist zwei einzelne Zellen 12, 14 auf, die jeweils auf dem gemeinsamen Substrat mit einer Kathode 18, einem darauf angeordneten Feststoffelektrolyt 20 und einer darauf angeordneten Anode 22 ausgebildet sind. Die Anode 22 wird auch als erste Elektrode bezeichnet, während die Kathode 18 als zweite Elektrode bezeichnet wird. Die beiden Anoden 22 liegen aufeinander und sind durch einen gemeinsamen Anodenanschluss in Form einer Kontaktfahne 24 kontaktiert.
Das Substrat 16, das die Doppelzelle 10 umschließt, dient zur Kontaktierung der beiden Kathoden 18 der Zellen 12 und 14.
Aufbau und Herstellung der Batteriezelle 10 werden im Folgenden näher beschrieben.
Das Substrat 16 besteht im dargestellten Fall aus einer Aluminiumfolie, könnte jedoch auch eine Stahlfolie sein, ggf. auch als metallisierte Kunststofffolie ausgebildet sein.
Die Kathode 18 besteht im dargestellten Fall aus LiCoO₂. Der Feststoffelektrolyt 20 besteht z. B. aus Lithium-Phosphoroxidnitrid (LiPON).
Die Anode besteht im dargestellten Fall aus Lithium.
2 gibt eine Übersicht über die wichtigsten Schritte bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle und eines daraus gebildeten Batteriestapels.
Zunächst wird in einem ersten Schritt 200 in einem Roll-to-Roll-Prozess ein Substrat bereitgestellt, das mit den einzelnen Schichten, also zumindest mit einer Kathodenschicht unmittelbar auf der Substratoberfläche, einer darauf angeordneten Elektrolytschicht und einer darauf applizierten Anodenschicht hergestellt wird (diese Schritte werden auch insgesamt als „Front-End” bezeichnet). Es versteht sich, dass darüber hinaus weitere Schichten verwendet werden können, beispielsweise funktionsoptimierende Schichten an den Grenzflächen und Oberflächen, wie etwa eine Metallschicht zwischen Substrat und Kathode, eine Metallschicht auf der Anode. Es versteht sich ferner, dass die einzelnen Schichten einschließlich der Elektrolytschicht aus mehreren Schichten bestehen können.
Nachfolgend wird das sog. „Back-End” durchgeführt. Begonnen wird mit einer Zelldefinition durch Laserabtragung im Schritt 202. Im nachfolgenden Schritt 204 wird Dichtungsmaterial randseitig appliziert, das zur späteren Abdichtung einer Doppelzelle nach einer Faltung dient.
Im nächsten Schritt 206 wird die Doppelzelle mittels eines Lasers abgetrennt. Danach werden im Schritt 208 zunächst Anodenanschlüsse appliziert. Anschließend erfolgt im Schritt 210 ein Falten der Doppelzelle. Mit der Faltung einher geht das randseitige Versiegeln der Doppelzelle, was als gesonderter Schritt 212 ausgewiesen ist. Hierbei wird die Doppelzelle durch das um die aktiven Schichten der beiden Einzelzellen aufgetragene Dichtungsmaterial verkapselt und randseitig vollständig abgedichtet. Nach diesem Schritt ist die Doppelzelle voll funktionstüchtig.
Optional erfolgt in einem nachfolgenden Schritt 214 ein Stapeln von Doppelzellen. Im nächsten Schritt 216 werden die Anoden und die Kathoden mittels Nieten verbunden. In einem optionalen Schritt 218 erfolgt zusätzlich eine Umschließung des so gebildeten Batteriestapels durch ein Gehäuse. Das Ergebnis ist ein Batteriestapel oder eine Multizelle aus parallel geschalteten Einzelzellen mit Elektrodenanschlüssen, wie bei 220 dargestellt.
Die einzelnen Schritte der Herstellung werden nachfolgend im Detail erläutert.
Zunächst wird gemäß 3 in einem Roll-to-Roll-Prozess ein bandförmiges Substrat 16 in Form einer Aluminiumfolie bereitgestellt.
Hierauf werden zunächst die einzelnen notwendigen Schichten appliziert. Zunächst wird die Kathodenschicht LiCoO₂ appliziert und anschließend wärmebehandelt. Im nächsten Schritt erfolgt hierauf die Abscheidung des Feststoffelektrolyten (z. B. LIPON). Hierauf wird anschließend die Anodenschicht, etwa in Form einer Lithiumschicht, appliziert.
Diese Verfahrensschritte zur Herstellung der Funktionsschichten der späteren Batterie werden auch als „Front-End” bezeichnet.
Anschließend erfolgt nach Übergabe auf eine weitere Rolle das sogenannte „Back-End”, was die Strukturierung der einzelnen Zellen, die Kontaktierung, das Schneiden, Falten usw. einschließt.
In 3 ist der Beginn des Back-Ends dargestellt. Auf dem Substrat 16 befindet sich der vollständig beschichtete Zellaufbau mit der Kathodenschicht 18, der darüber applizierten Elektrolytschicht 20 und der darüber applizierten Anodenschicht 22. Die so gebildete Beschichtungsfläche 28 ist an den Seiten durch Ränder 26 begrenzt, die nicht beschichtet sind.
Nachfolgend erfolgt eine Laserstrukturierung, was in 3 durch 30 angedeutet ist, und es werden einzelne aktive Flächen 32 ausgebildet.
Die Laserstrukturierung ist in 4 näher dargestellt. Hierbei wird so vorgegangen, dass zunächst eine Schicht zur Freilegung der Anode und des Elektrolyts abgetragen wird, dann eine Schicht zur Freilegung der Kathode abgetragen wird, bevor das Substrat in einem späteren Schritt durchtrennt wird. Diese Vorgehensweise vermeidet das entstehen von Kurzschlüssen durch die Laserbehandlung.
Es werden einzelne aktive Bereiche (rechteckförmig dargestellt) definiert, die bei zwei benachbarten Zellen 12, 14 beispielhaft durch 43 und 41 angedeutet sind.
Mit 36 ist die spätere Schnittlinie für den Anodenanschlussbereich angedeutet. 34 bezeichnet den späteren Faltbereich, um den benachbarte Zellen 12, 14 gefaltet werden. 38 bezeichnet die Schnittlinie, mit der eine beispielhafte Doppelzelle 10 mittels eines Lasers herausgetrennt wird.
In 4a ist eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In Abwandlung zu der Darstellung gemäß 4 ist hierbei die Gesamtbreite des Substrats 16 geringer und beträgt z. B. etwa 10 cm. Dies ermöglicht es nun, in Querrichtung des Substrats nebeneinander angrenzend nur zwei Zellen 12, 14 zu definieren. In diesem Fall verläuft die Faltlinie 35 mittig zwischen den beiden Rändern 26.
Eine derartige Anordnung bietet den Vorteil, dass das Versiegelungsmaterial und die Kontaktanschlüsse vor der Vereinzelung aufgebracht werden können, und dass das Falten gleichfalls vor der Vereinzelung erfolgen kann.
5 zeigt den Querschnitt eines Bereichs zwischen zwei benachbarten Zellen, die durch einen Schnitt voneinander getrennt wurden. Es ist erkennbar, wie durch die Laserstrukturierung an den Rändern abgestufte Bereiche entstehen, vgl. die Ränder von Anode 22, Elektrolyt 20 und Kathode 18. Als letztes erfolgt ein Schnitt 38' zum Durchtrennen des Substrats 16.
6 zeigt eine Zelle 10 nach dem Heraustrennen mittels Laser aus dem Rollenmaterial. Auf dem Substrat 16 befinden sich nebeneinander die beiden Zellen 12, 14 mit ihren aktiven Bereichen 43, 41. Ferner ist in der Mitte zwischen den beiden Zellen 12, 14 die Faltlinie 35 zum späteren Falten erkennbar.
In 7 ist die Zelle 10 mit den beiden Einzelzellen 12, 14 gemäß 6 gezeigt, nachdem eine Kontaktfahne 24 zur Kontaktierung der Anode 22 an der Zelle 14 appliziert wurde und zusätzlich durch ein darüber angeordnetes Kontaktgitter 25 mit der Anodenschicht elektrisch leitend verbunden wurde.
Ferner wurde um die beiden aktiven Bereiche 43, 41 der Zellen 12, 14 randseitig jeweils ein Wulst aus Kleber 40 aufgetragen.
Bei der nachfolgenden Faltung gelangen die beiden Zellen 12, 14 deckungsgleich aufeinander und werden randseitig zwischen dem gemeinsamen Substrat 16 vollständig abgedichtet.
Gegebenenfalls kann die Aushärtung des Klebers durch Wärmeeinwirkung, Licht in Form von Weißlicht oder Licht mit spezifischen Wellenlängen (z. B. UV-Härtung) beschleunigt werden.
Es ergibt sich dann die in 1a, b, c gezeigte Batteriezelle 10, die als Doppelzelle ausgebildet ist und aus den zwei parallel geschalteten Zellen 12, 14 besteht. Beide Anoden 22 sind über die Kontaktfahne 24 kontaktiert, während beide Kathoden 18 mittels des elektrisch leitenden Substrates 16 kontaktiert sind.
In den 8 und 9, 9a, 9b ist eine leicht abgewandelte Ausführungsform der Zelle 10 dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10a bezeichnet.
Im Übrigen werden für entsprechende Teile entsprechende Bezugsziffern verwendet.
Um zu vermeiden, dass durch die Kontaktfahne 24 die Gesamtdicke der Zelle verändert wird, ist bei der Zelle 10a die aktive Fläche 43 der ersten Zelle 12 randseitig um einen kleinen Ausschnitt 45 verkleinert. Somit wird beim späteren Falten der beiden Zellen 12, 14 um die Faltenlinie 35 die Kontaktfahne 24 in dem durch den Freiraum 45 geschaffenen Hohlraum aufgenommen, während gleichzeitig die Abdichtung über den Kleber 40 erfolgt.
9a zeigt die Zelle 10a nach dem Falten und Versiegeln in der Seitenansicht. 9b zeigt einen vergrößerten Schnitt durch die Zelle 10a.
Durch eine sehr geringe Verkleinerung der aktiven Fläche der einen Zelle 12 wird auf diese Weise bewirkt, dass die Gesamtdicke der Zelle 10a lediglich durch die Schichten aus dem gemeinsamen Substrat 16 den beiden Elektroden 18, 22 und dem Elektrolyt 20 bedingt ist und nicht durch die Kontaktfahne 24 vergrößert wird. So kann eine größere Energiedichte erzielt werden.
Anhand der 10 bis 12 wird im Folgenden kurz erläutert, wie aus derartigen Zellen 10 bzw. 10a ein Batteriestapel hergestellt werden kann.
Gemäß 10 wird eine Mehrzahl von Batteriezellen 10 der vorstehend beschriebenen Art übereinander gestapelt und die Kontaktfahnen 24 für den Anodenanschluss werden durch Nieten 42 miteinander verbunden, während die Substrate 16, die den Kathodenanschluss bereitstellen, gleichfalls über Nieten 44 miteinander elektrisch verbunden werden.
Es ergibt sich somit ein Batteriestapel 50 mit gemeinsamen Anschlüssen 42 bzw. 44 für die Anoden bzw. Kathoden.
11 zeigt eine Variante des Batteriestapels gemäß 10, der insgesamt mit der Ziffer 50a bezeichnet ist. Anstelle Nieten gemäß 10 zur Verbindung der Kontaktfahnen 24 für die Anoden bzw. zur Verbindung der Substrate zu verwenden, sind bei der Ausführung gemäß 11 Busbars (Sammelschienen) 46, 48 vorgesehen. Die Herstellung der elektrischen Kontakte mit den Busbars 46, 48 kann z. B. durch Anpressen, Klemmen, Kleben, Schweißen, Löten erfolgen.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist der Batteriestapel gemäß 11 zusätzlich noch durch ein metallisches Gehäuse 52, z. B. aus rostfreiem Stahl umschlossen. Der so gebildete Batteriestapel 50b ist somit an seinen einzelnen Zellen jeweils verkapselt und versiegelt und zusätzlich noch durch eine äußere Hülle 52 gesichert.
Dies dient zur Absicherung gegen aggressive Umwelteinflüsse, z. B. durch eine korrosive Umgebung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/0265915 A1 [0004, 0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Wendler M., Krebs M., Huebner G.; ”Development of Printed Thin and Flexible Batteries”; IC International Circular of Graphic Education and Research; No 4 2011 p. 32–41 [0006]

Claims

Batteriezelle (10, 10a), insbesondere Dünnschicht-Batteriezelle, mit einer ersten Zelle (12) mit einer ersten Elektrode (22), einem Elektrolyten (20) und einer zweiten Elektrode (18), und mit einer zweiten Zelle (14) mit einer ersten Elektrode (22), einem Elektrolyten (20) und einer zweiten Elektrode (18), wobei die erste Zelle (12) um eine Faltlinie (35) auf die zweite Zelle (14) gefaltet ist, derart, dass die beiden ersten Elektroden (22) zumindest teilweise übereinander liegen und über einen gemeinsamen ersten Elektrodenanschluss (24) kontaktiert sind und dass die beiden zweiten Elektroden (18) auf einem gemeinsamen Substrat (16) gebildet sind, das die beiden Zellen (12, 14) umschließt und verkapselt.
Batteriezelle nach Anspruch 1, bei dem das gemeinsame Substrat (16) als zweiter Elektrodenanschluss zur Kontaktierung der beiden zweiten Elektroden (18) ausgebildet ist.
Batteriezelle (10, 10a) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die ersten Elektroden als Anoden (22) ausgebildet sind und die beiden zweiten Elektroden als Kathoden (18) ausgebildet sind, oder umgekehrt.
Batteriezelle (10, 10a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine (12) der beiden Zellen (12, 14) im Vergleich zur anderen (14) der beiden Zellen (12, 14) einen verkleinerten aktiven Bereich (43) aufweist, derart, dass bei der Faltung ein Freiraum (45) entsteht, in dem der gemeinsame erste Elektrodenanschluss (24) aufgenommen ist, ohne dass die Dicke der Batteriezelle (10a) durch den ersten Elektrodenanschluss (24) vergrößert ist.
Batteriezelle (10, 10a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der gemeinsame erste Elektrodenanschluss als Kontaktfahne (24) ausgebildet ist, die vorzugsweise mit mindestens einem Kontaktgitter (25) zwischen den beiden ersten Elektroden (22) in Verbindung steht.
Batteriezelle (10, 10a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die beiden Zellen (12, 14) randseitig an dem aufeinander liegenden Substrat (16) abgedichtet sind.
Batteriezelle (10, 10a) nach Anspruch 6, bei der die beiden Zellen (12, 14) miteinander verklebt oder heißversiegelt sind.
Batteriezelle (10, 10a) nach Anspruch 6, bei der die beiden Zellen (12, 14) zumindest teilweise durch eine Verschweißung des Substrates (16) abgedichtet sind.
Batteriezelle (10, 10a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (16) als Metallfolie, insbesondere als Aluminiumfolie oder Stahlfolie, ausgebildet ist.
Batteriestapel mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (10, 10a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Batteriezellen (10, 10a) übereinander gestapelt sind und die übereinander angeordneten Elektrodenanschlüsse für Kathode und Anode jeweils miteinander verbunden sind, insbesondere durch Nieten (42, 44) oder durch Busbars (46, 48) miteinander verbunden sind.
Batteriestapel nach Anspruch 10, bei dem der Batteriestapel (50a) zusätzlich durch ein Gehäuse (52) umschlossen ist.
Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle (10, 10a), insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten: (a) Bereitstellen einer Substratfolie (16); (b) Abscheiden von Schichten auf der Substratfolie (16), um eine erste Elektrodenschicht (22), eine Elektrolytschicht (20) und eine zweite Elektrodenschicht (18) zu bilden; (c) Definieren von Zellen (12, 14) durch selektives Abtragen, insbesondere mittels eines Lasers; (d) Selektives Applizieren von Dichtungsmaterial zur späteren Verklebung und Abdichtung von Doppelzellen; (e) Abtrennen jeweils einer aus zwei benachbarten Zellen (12, 14) bestehenden Doppelzelle (10, 10a) von der Substratfolie (16), insbesondere mittels eines Lasers; (f) Applizieren eines ersten Elektrodenanschlusses (24) auf mindestens eine der ersten Elektroden (22) der beiden Zellen (12, 14) einer Doppelzelle (10, 10a); (g) Falten der beiden Zellen (12, 14) einer Doppelzelle (10, 10a), so dass die beiden ersten Elektroden (22) zumindest teilweise aufeinander zu liegen kommen und über den ersten Elektrodenanschluss (24) gemeinsam kontaktiert werden und (h) randseitiges Versiegeln der Substratfolie (16) zur Bildung einer abgedichteten Batteriezelle (10, 10a) bestehend aus zwei miteinander parallel geschalteten einzelnen Zellen (12, 14).
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem im Schritt (f) beim Applizieren des ersten Elektrodenanschlusses eine Kontaktfahne (24) auf eine der beiden ersten Elektroden (22) appliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem im Schritt (f) beim Applizieren des ersten Elektrodenanschlusses ein Kontaktgitter (25) auf mindestens eine der beiden ersten Elektroden (22) der Doppelzelle (10, 10a) appliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Substratfolie (16) als zweiter Elektrodenanschluss zur Kontaktierung der zweiten Elektroden (18) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem im Schritt (c) zunächst eine Schicht zur Freilegung der Anode (22) und des Elektrolyts (20) abgetragen wird, dann eine Schicht zur Freilegung der Kathode (18) abgetragen wird, bevor das Substrat (16) in einem späteren Schritt durchtrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, das als Rolle-zu-Rolle-Verfahren ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem die Doppelzellen (10a) im Schritt (c) derart definiert werden, dass eine (12) der Zellen (12, 14) im Vergleich zur anderen (14) der beiden Zellen (12, 14) einen verkleinerten aktiven Bereich (43) aufweist, derart, dass bei der späteren Faltung im Schritt (g) ein Freiraum (45) entsteht, in dem der gemeinsame erste Elektrodenanschluss (24) aufgenommen ist, ohne dass die Dicke der Batteriezelle (10a) durch den ersten Elektrodenanschluss (24) vergrößert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem zur Abdichtung der Doppelzelle (10, 10a) im Schritt (d) das Dichtungsmaterial (40) selektiv zumindest randseitig aufgetragen wird, das im Schritt (h) zur randseitigen Versiegelung der Zelle (10) dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem die Substratfolie (16) im Schritt (h) verschweißt wird, um die Zelle (10, 10a) randseitig abzudichten, wobei im Bereich des ersten Elektrodenanschlusses (24) eine Abdichtung durch einen Kleber (40) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, bei dem die Faltung um eine mittig zwischen den beiden Rändern (26) eines Substratbandes (16) verlaufende Faltlinie (35) erfolgt, wobei vorzugsweise in Querrichtung des Substrates (16) nur zwei Folgen von angrenzenden Zellen (12, 14) definiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, bei dem eine Mehrzahl von Zellen (10, 10a) nach ihrer Herstellung gemäß der Schritte (a) bis (h) aufeinander gestapelt wird und die übereinander angeordneten Kontaktpunkte der Elektrodenanschlüsse für Anode und Kathode miteinander elektrisch verbunden werden, insbesondere durch Anbringen von Nieten (42, 44) oder durch Busbars (46, 48).
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, bei dem der Batteriestapel (50b) durch ein umschließendes Gehäuse (52) zusätzlich abgedichtet wird.