DE102016008190A1

DE102016008190A1 - Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102016008190A1
Application number: DE102016008190.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hintennach
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2017-02-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeichers, wobei – mit elektrochemisch wirksamen Materialien beschichtete Elektrodenfolien zu einer Elektrodenfolienanordnung zusammengefasst werden, – ein aus der Elektrodenfolienanordnung herausgeführter, insbesondere unbeschichteter, Randbereich der jeweiligen Elektrodenfolie als Stromableiterfahne ausgebildet wird, – die Stromableiterfahnen gleicher Polarität elektrisch leitend zu einem elektrischen Pol des elektrochemischen Energiespeichers miteinander verbunden werden, – die jeweils zu einem elektrischen Pol miteinander verbundenen Stromableiterfahnen mit einem Ableiter elektrisch leitend mittels Schweißen miteinander verbunden werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vor dem Schweißen auf die Stromableiterfahnen jeweils eine Lösung aufgebracht wird, die eine in Propan-2-ol gelöste 2-Aminoethansulfonsäure enthält.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeichers bekannt. Beispielsweise ist in der DE 10 2009 005 497 A1 eine galvanische Zelle von insbesondere im Wesentlichen prismatischer Gestalt sowie ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben. Die galvanische Zelle weist wenigstens einen ersten Elektrodenstapel auf. Ein erster Stromableiter ist mit einem ersten Elektrodenstapel verbunden. Weiter weist die galvanische Zelle eine Umhüllung auf, welche einen ersten Elektrodenstapel wenigstens teilweise umschließt. Dabei erstreckt sich ein erster Stromableiter teilweise aus der Umhüllung. Ferner weist die galvanische Zelle einen zweiten Elektrodenstapel und einen zweiten Stromableiter auf. Die Umhüllung hat wenigstens ein erstes Formteil und ein zweites Formteil. Eines der Formteile weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf, als die übrigen Formteile. Die Formteile sind vorgesehen, wenigstens einen Elektrodenstapel wenigstens teilweise zu umschließen. Bei der Herstellung der galvanischen Zelle werden zunächst wenigstens zwei Formteile der Umhüllung insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden. Anschließend wird wenigstens ein Formteil der Umhüllung aus einem Ausgangszustand durch Biegen in einen verformten Zustand überführt, wobei wenigstens eine Ausdehnung des Formteils im verformten Zustand gegenüber dem Ausgangszustand verringert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeichers anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeichers werden mit elektrochemisch wirksamen Materialien beschichtete Elektrodenfolien, insbesondere Anoden- und Kathodenfolien, zu einer Elektrodenfolienanordnung, z. B. zu einem Elektrodenstapel, zusammengefasst. Anschließend wird ein aus der Elektrodenfolienanordnung herausgeführter, insbesondere unbeschichteter, Randbereich der jeweiligen Elektrodenfolie als Stromableiterfahne ausgebildet und Stromableiterfahnen gleicher Polarität elektrisch leitend zu einem elektrischen Pol des elektrochemischen Energiespeichers miteinander verbunden. Die jeweils zu einem elektrischen Pol miteinander verbundenen Stromableiterfahnen werden anschließend mit einem Ableiter elektrisch leitend mittels Schweißen miteinander verbunden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vor dem Schweißen auf die Stromableiterfahnen jeweils eine Lösung aufgebracht wird, die eine in Propan-2-ol gelöste 2-Aminoethansulfonsäure enthält.
Mittels des Verfahrens kann beim Verschweißen der Stromableiterfahnen mit den Ableitern, welche vorzugsweise aus einem Metall sind, eine sehr gute stoffschlüssige und elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden. Dies ist dadurch begründet, dass potentiell auf den Stromableiterfahnen gebildete Sulfidschichten, die insbesondere bei schwefelhaltigen Elektrodenfolien und kupferhaltigen Ableitern gebildet werden, mittels der auf den Stromableiterfahnen jeweils anhaftenden 2-Aminoethansulfonsäure unter Temperatureinwirkung während des Schweißvorganges chemisch aufgebrochen werden. Da derartige Sulfidschichten einen Reibungswiderstand zwischen den Stromableiterfahnen und den Ableitern minimieren, ist eine beispielsweise beim Ultraschallschweißen entstehende Reibung verringert und damit eine aufgrund der Reibung entstehende Wärme nicht ausreichend. Mittels der Vorbehandlung der Stromableiterfahnen, bevor diese miteinander verbunden werden, können solche Sulfidschichten jedoch chemisch aufgebrochen werden, so dass ein gewünschter Reibungswiderstand erreicht wird und daraus resultierend eine optimale stoffschlüssige Verbindung mit sehr guten elektrischen Eigenschaften hergestellt werden kann. Vorzugsweise enthält die Lösung 0,1 Gew.-% bis 0,05 Gew.-% 2-Aminoethansulfonsäure, besonders bevorzugt 0,02 Gew.-% 2-Aminoethansulfonsäure.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 einen Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeichers.
Die einzige 1 zeigt einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines nicht dargestellten elektrochemischen Energiespeichers, welcher beispielsweise eine Einzelzelle für eine Metall-Schwefel-Batterie ist.
Zur Herstellung des elektrochemischen Energiespeichers wird in einem ersten Schritt S1 eine Elektrodenfolienanordnung bereitgestellt, bei der beispielsweise einzelne Kathodenfolien und Anodenfolien sowie Separatoren, die ebenfalls folienartig ausgebildet sind, in einer vorgegebenen Reihenfolge aufeinander gestapelt werden. Beispielsweise sind die Kathodenfolien beschichtete Aluminiumfolien und die Anodenfolien beschichtete Kupferfolien. Die Kathodenfolien und Anodenfolien sind jeweils mittels eines Separators räumlich getrennt und somit voneinander elektrisch isoliert. Alternativ kann die Elektrodenfolienanordnung auch die Form eines Wickels aufweisen.
Zumindest in einem Randbereich sind die Kathodenfolien und Anodenfolien unbeschichtet und aus der Elektrodenfolienanordnung herausgeführt, wobei diese unbeschichteten Bereiche von Elektrodenfolien einer Polarität in einem zweiten Schritt S2 miteinander verbunden werden. Diese miteinander verbundenen Bereiche werden als Stromableiterfahnen mit blechförmigen Ableitern in einem dritten Schritt S3 elektrisch leitend miteinander verbunden. Dabei erfolgt die Verbindung insbesondere mittels stoffschlüssiger Schmelzschweißverfahren, beispielsweise Vibrations- bzw. Ultraschallschweißen. Alternativ kann die Verbindung auch mittels Widerstandspunktschweißen und/oder Laserschweißen erfolgen. Denkbar ist auch, dass die Stromableiterfahnen mit den Ableitern zusätzlich kraftschlüssig mittels Nietung und/oder formschlüssig mittels Durchsetzfügen, wie z. B. mittels so genanntem Clinchen und/oder Toxen, verbunden werden.
Mittels der Ableiter als elektrische Anschlüsse ist es möglich, elektrischen Strom in den elektrochemischen Energiespeicher ein- und auszuleiten.
Bei einem als Metall-Schwefel-Zelle, z. B als Lithium-Schwefel-Zelle, ausgebildeten elektrochemischen Energiespeicher sind die Anodenfolien mit einer lithiumhaltigen Beschichtung versehen. Die Beschichtung der Kathodenfolien ist mit Schwefel versetzt, welcher beispielsweise in einer porösen Kohlenstoffstruktur interkaliert ist. In bekannter Weise reagiert Schwefel direkt mit Metall, wobei das Metall durch den Schwefel oxidiert. Dabei entstehen in exothermer Reaktion sogenannte Metallsulfide, z. B. Kupfersulfid, welches sich auf den Stromableiterfahnen anreichert. Diese Sulfidschichten minimieren einen Reibungswiderstand zwischen den Stromableiterfahnen, so dass eine beispielsweise beim Verbinden der Stromableiterfahnen mit den Ableitern, insbesondere mittels Ultraschallschweißen, entstehende Reibung verringert und damit eine aufgrund der Reibung entstehende Wärme nicht ausreichend ist. Die Stromableiterfahnen können somit nicht vollständig miteinander und/oder mit den Ableitern verschweißt werden. Somit ist eine elektrische Verbindung verringert und ein Ableiterwiderstand sehr hoch. Der elektrochemische Energiespeicher kann somit nicht verwendet werden und ein Ausschuss von Energiespeichern mit einem ungünstig hohen Widerstand ist hoch, beispielsweise ist der Ausschuss höher als 10%. Der Ableiterwiderstand ist zudem erst nach vollständigem Zusammenbau des elektrochemischen Energiespeichers ermittelbar. Entsprechend als ”nicht in Ordnung” bezeichnete Energiespeicher können nicht repariert werden und werden aussortiert.
Ziel ist es daher, eine optimale elektrisch leitende Verbindung zwischen den Stromableiterfahnen und den Ableitern herzustellen. Dies ist mittels Entfernung der beschriebenen Sulfidschichten möglich. Bekannt dazu sind beispielsweise mechanische Verfahren, wobei diese zeitaufwendig sind und ein hohes Risiko eines Eintrags von Metallpartikeln beim Zerspanen besteht.
Die Erfindung schlägt vor, die Stromableiterfahnen in einem Zwischenschritt S1.1 vor dem Verbinden der Stromableiterfahnen mit einer Lösung zu versehen, die eine in Propan-2-ol gelöste 2-Aminoethansulfonsäure, auch als Taurin bekannt, enthält. 2-Aminoethansulfonsäure ist eine organische Säure mit einer Sulfonsäuregruppe und enthält eine Aminogruppe.
Damit können die auf den Stromableiterfahnen gebildeten Sulfidschichten unter Temperatureinwirkung während des Schweißvorganges chemisch aufgebrochen werden. Damit kann ein gewünschter Reibungswiderstand erreicht werden und daraus resultierend eine optimale stoffschlüssige Verbindung mit sehr guten elektrischen Eigenschaften hergestellt werden. Vorzugsweise enthält die Lösung 0,1 Gew.-% bis 0,05 Gew.-% 2-Aminoethansulfonsäure, besonders bevorzugt 0,02 Gew.-% 2-Aminoethansulfonsäure.
Die Lösung kann auf die Stromableiterfahnen gesprüht, gestrichen, oder anderweitig aufgebracht werden. Eine Dosierung kann dabei individuell bestimmt werden, da die Lösung sehr schnell verdunstet. Nach einem Trocknen der Stromableiterfahnen können diese miteinander und mit den Ableitern wie zuvor beschrieben verbunden werden. Der Schweißprozess kann hierbei in einer üblichen Taktzeit und vollautomatisiert durchgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009005497 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeichers, wobei – mit elektrochemisch wirksamen Materialien beschichtete Elektrodenfolien zu einer Elektrodenfolienanordnung zusammengefasst werden, – ein aus der Elektrodenfolienanordnung herausgeführter, insbesondere unbeschichteter, Randbereich der jeweiligen Elektrodenfolie als Stromableiterfahne ausgebildet wird, – die Stromableiterfahnen gleicher Polarität elektrisch leitend zu einem elektrischen Pol des elektrochemischen Energiespeichers miteinander verbunden werden, – die jeweils zu einem elektrischen Pol miteinander verbundenen Stromableiterfahnen mit einem Ableiter elektrisch leitend mittels Schweißen miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schweißen auf die Stromableiterfahnen jeweils eine Lösung aufgebracht wird, die eine in Propan-2-ol gelöste 2-Aminoethansulfonsäure enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung auf die Stromableiterfahnen gesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung auf die Stromableiterfahnen gestrichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromableiterfahnen und die Ableiter mittels Ultraschallschweißen elektrisch leitend miteinander verbunden werden.