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Gegenstand der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Elektrodenstapeln und ein Montagesystem.
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Stand der Technik
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Verfahren zur Herstellung von Elektrodenstapeln werden eingesetzt zur Herstellung von Single Cells, Bicells und beidseitig beschichteten Elektroden. Die Stapelung doppelseitig mit Aktivmasse beschichteter Anoden und Kathoden führt dabei typischerweise zu einer etwas erhöhten Energiedichte im Vergleich mit der Stapelung von Bicells. Die Herstellung des Zellkörpers aus Bicells hat dagegen den Vorteil, dass jede einzelne Bicell vor dem Zusammenbau des Stapels auf korrekte Position der Elektroden und elektrischen Kurzschluss geprüft und gegebenenfalls aussortiert werden kann. Bei der Stapelung beidseitiger Elektroden hingegen kann erst der fertige Elektrodenstapel geprüft werden. Gegebenenfalls muss dann der ganze Stapel verworfen werden. Dies führt bei Verwendung des gleichen Elektrodenmaterials naturgemäß zu höherer Ausschussrate als bei der Bicell-Technologie. Automaten zur Assemblage in Bicell-Technologie arbeiten mit einem Durchsatz von 4 Bicells/Sekunde, sogar in großen Elektrodenformaten.
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US 2012/0210549 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Doppelschichtzelle, wobei erste und zweite Elektrodenblätter durch Drucken von Elektrodenmaterial auf leitfähigen Blättern bereitgestellt werden, wobei 4 × 4 Blätter matrixförmig nebeneinander angeordnet und mittels kleinen Stegen miteinander verbunden werden. Auf die erste Schicht wird eine Separatorschicht angeordnet und auf dieser eine zweite Elektrodenschicht, wodurch ein Elektrodenstapel von 4 × 4 Elektrodenblätterstapeln erzeugt werden kann.
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Im Stand der Technik gibt es keine Verfahren zum Stapeln und Positionieren von Stapeln, bei welchen die Elektrodenschichten verschieden groß sein können.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Elektrodenstapeln für Batteriezellen umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen zumindest einer Elektrodenkette wobei die Elektrodenkette aus mehreren Elektrodenblättern gebildet ist, die mittels zumindest eines Haltebands miteinander verbunden sind,
- b) Anordnen mehrerer Elemente der Elektrodenkette als eine Elektrodenlage in einer Montageform, wobei das Anordnen über das Halteband geführt wird, und
- c) Anordnen von Separatorlagen, weiteren Elektrodenlagen und Gegenelektrodenlagen zur Bildung der Elektrodenstapel.
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Mit „Elektrodenblatt“ wird eine im Wesentlichen flach ausgebildete Elektrode bezeichnet. Bei der flachen Elektrode sind zwei räumliche Dimensionen der Elektrode um eine oder bevorzugt um mehrere Größenordnungen größer ausgebildet als die dritte räumliche Dimension, wie es beispielsweise bei einer Folie der Fall ist. Das Elektrodenblatt kann in der Fläche eine beliebige Form aufweisen, z. B. quadratisch, rechteckig, abgerundete Ecken, oval, kreisförmig o.ä.
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Mit „Elektrodenkette“ werden Elektroden bezeichnet, die nicht vereinzelt vorliegen, sondern an einem oder mehreren Punkten miteinander verbunden bzw. verkettet sind. Die Elektrodenkette kann beliebig hochskaliert werden, d. h. von einer oder wenigen Elektroden bis zu einem Endlosband. Bevorzugt werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere Elektrodenstapel gleichzeitig hergestellt.
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Mit „Lage“ wird in der vorliegenden Offenbarung eine Schicht in einem Elektrodenstapel bezeichnet, welcher eine eigene elektrochemische Funktion zukommt. In einem Elektrodenstapel einer Batteriezelle typischerweise auftretende Schichten sind Elektroden, Gegenelektroden und Separatoren. Die Elektroden und Gegenelektroden werden dabei unter Zwischenlagen eines Separators von einem flüssigen Elektrolyt umgeben. Der Elektrolyt ist für die Lithiumionen leitfähig und ermöglicht den Transport der Lithiumionen zwischen den beiden Elektroden.
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Die Batteriezelle kann sowohl eine Primärbatteriezelle als auch eine Sekundärbatteriezelle sein und ist eingerichtet, elektrische Energie zu speichern und chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und umgekehrt. Sekundärbatteriezellen werden auch als Akkumulatorzellen bezeichnet. Insbesondere kann die Batteriezelle eine so genannte Lithium-Ionen-Zelle sein, die sich typischerweise durch besonders hohe Energiedichte, thermische Stabilität und geringe Selbstentladung auszeichnet. Ein Einsatzzweck für die vorgestellte Batteriezelle kann insbesondere in Kraftfahrzeugen sein, wie Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen und Plug-In-Hybridfahrzeugen.
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Das elektrochemisch aktive Material der Batteriezelle ist typischerweise Elektroden und Gegenelektroden zugeordnet, nämlich positiven Elektroden, die auch als Kathoden bezeichnet werden und negativen Elektroden, die auch als Anoden bezeichnet werden. Die Kathoden und die Anoden umfassen jeweils Stromableiter, auf dem das elektrochemisch aktive Material aufgebracht ist. Die Stromableiter der Kathoden und Anoden sind zu Terminalen zusammengefügt, um die Verschaltung der Batteriezelle zu ermöglichen. Bei der elektrochemischen Reaktion des Entladevorgangs fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode. Innerhalb der Batteriezelle wandern die Lithiumionen von der Anode zur Kathode. Beim Ladevorgang wandern die Lithiumionen dagegen von der Kathode zur Anode.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird zumindest eine Gegenelektrodenlage zu der gemäß Schritt b) angeordneten Elektrodenlage aus einer Gegenelektrodenkette gefertigt. Die Gegenelektrodenblätter sind dabei mittels zumindest eines Gegenelektrodenhaltebands miteinander verbunden.
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Somit werden sowohl die Elektroden als auch die Gegenelektroden in Form von miteinander verbundenen Elektrodenblättern bzw. Gegenelektrodenblättern bereitgestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Anordnen mehrerer Elemente der Gegenelektrodenkette als eine Gegenelektrodenlage in der Montageform über das Gegenelektrodenhalteband geführt wird. Alternativ hierzu oder zusätzlich hierzu werden die Elemente der Gegenelektrodenkette zunächst vereinzelt und dann unverbunden in der Montageform angeordnet.
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Somit können die Elektrodenlage und die Gegenelektrodenlage jeweils aus mehreren miteinander verbundenen Elementen der Elektrodenkette bzw. Gegenelektrodenkette gefertigt werden oder aus mehreren nicht miteinander verbundenen Elementen der Elektrodenkette bzw. Gegenelektrodenkette. Bevorzugt werden mehrere miteinander verbundene Elektrodenblätter mittels ihrer Haltebänder geführt und als Elektrodenlage miteinander verbunden montiert und mehrere miteinander verbundene Gegenelektrodenblätter mittels ihrer Gegenelektrodenhaltebänder geführt und als Gegenelektrodenlage miteinander verbunden montiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verbindet das Halteband die Elektrodenstromableiter der Elektrodenblätter miteinander. Dabei werden die Stromableiter der Elektrodenblätter bevorzugt blattförmig bereitgestellt. Das Halteband kann insbesondere aus demselben Material bestehen wie die Elektrodenstromableiter und einstückig mit diesen ausgebildet sein.
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Entsprechend ist bevorzugt vorgesehen, dass das Gegenelektrodenhalteband die Gegenelektrodenstromableiter der Gegenelektrodenblätter miteinander verbindet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Separatorlagen aus einer Separatorenkette gefertigt, wobei die Separatorenkette aus mehreren Separatorblättern gebildet ist, welche mittels zumindest eines Separatorenhaltebands miteinander verbunden sind. Somit können die Elektrodenlagen, die Gegenelektrodenlagen und auch die Separatorlagen jeweils mit Haltebändern als Ketten bereitgestellt werden und mittels dieser Haltebänder in einer Montageform angeordnet werden. Alternativ kann vorgesehen sein, die Gegenelektrodenlagen und/oder die Separatorlagen zuerst zu vereinzeln, das heißt z.B. das Separatorenhalteband bzw. Gegenelektrodenhalteband zu entfernen und die einzelnen Gegenelektrodenblätter bzw. Separatorblätter einzeln in der Montageform anzuordnen.
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Es kann vorgesehen sein, mehrere Elemente der Separatorenkette zu vereinzeln und in der Montageform unverbunden anzuordnen. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das Anordnen der Separatorlage über das Separatorenhalteband geführt wird. Im letzten Fall wird die Separatorlage aus mehreren miteinander verbundenen Elementen der Separatorenkette gebildet oder das Separatorenhalteband wird später entfernt.
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Bevorzugt werden die Ketten als Endlosketten bereitgestellt. Dies betrifft die Elektrodenkette, als auch die Gegenelektrodenkette sofern vorhanden und auch die Separatorenkette sofern vorhanden.
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Erfindungsgemäß wird außerdem ein Montagesystem zur Herstellung von Elektrodenstapeln bereitgestellt, wobei das Montagesystem zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren ausgebildet ist.
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Ein erfindungsgemäßes Montagesystem zur Herstellung von Elektrodenstapeln für Batteriezellen umfasst ein erstes Werkzeug zum Bereitstellen zumindest einer Elektrodenkette, wobei die Elektrodenkette aus mehreren Elektrodenblättern gebildet ist, die mittels zumindest eines Haltebands miteinander verbunden sind. Das Montagesystem umfasst ferner ein zweites Werkzeug zum übereinander Anordnen von Elektroden-, Gegenelektrodenlagen und Separatorlagen in einer Montageform. Die Montageform ist dabei derart ausgestaltet, dass das Anordnen zumindest einer Elektrodenlage über das Halteband geführt wird.
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Die Montageform umfasst also eine Matrize, deren Kavität zur Aufnahme der Elektrodenblätter und des zumindest einen Haltebands ausgebildet ist, so dass die Positionierung der Elektrodenblätter mittels des Haltebands erfolgen kann.
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Das Montagesystem umfasst bevorzugt ein weiteres Werkzeug zum Bereitstellen einer Gegenelektrodenkette und/ oder ein weiteres Werkzeug zum Bereitstellen einer Separatorenkette.
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Die Werkzeuge zum Bereitstellen der Elektrodenkette, Gegenelektrodenkette und/oder Separatorenkette können Stanzwerkzeuge umfassen, Gusswerkzeuge, Druckwerkzeuge oder Schneidewerkzeuge, wie beispielsweise Laserschneidewerkzeuge.
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Das Montagesystem umfasst außerdem weitere Werkzeuge zum Zuschneiden von einer bestimmten Anzahl von Elementen der jeweiligen Kette zur Überführung an das zweite Werkzeug zum übereinander Anordnen der Elektroden, Gegenelektroden und Separatorlagen in der Montageform.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Montageform eine Kopplungsvorrichtung auf. Mittels dieser kann das Montagesystem derart modular ausgebildet sein, so dass die Anzahl der anordnenbaren Elemente der bereitgestellten Blätter, Gegenelektrodenblätter und/oder Separatorblätter spezifisch festlegbar ist.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Verbindungen der einzelnen Elektrodenblätter als Kette ergibt sich die Möglichkeit, einen einzelnen Stapel bis unendlich viele Stapel hochpräzise zu montieren. Über die Auslegung der Kettengeometrie und der Lagengeometrie kann die Position der einzelnen Lagen individuell zueinander definiert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei unabhängig von der Größe, vom Format und von der Anzahl der in der Kette befindlichen Elektroden anwendbar.
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Vorteilhaft können die Kosten für die Herstellung von Elektrodenstapeln minimiert werden, und es kann sehr schnell auf neue angeforderte Varianten der Elektrodenstapel reagiert werden.
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Die Geometrie und Anzahl der Haltebänder zu den Lagen kann frei angepasst werden um Positionen der einzelnen Lagen zueinander anzupassen. Die Steuerung der Toleranzen der einzelnen Lagen zueinander erfolgt über die Auslegung der Geometrie des Haltebands sowie die Auslegung des Bereitstellungswerkzeugs der Elektrodenkette im Gesamtsystem.
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Die Anzahl der Haltebänder kann frei auf die Geometrie verteilt sein und beliebig oft dupliziert werden. Somit erreicht die Erfindung eine hochpräzise und taktzeitoptimierte Herstellung von Elektrodenstapeln. Daraus ergibt sich ein klarer wirtschaftlicher Vorteil zu aktuellen Prozessen. Die Anwendbarkeit der Erfindung ist sowohl für den Laborbetrieb als auch bis zur Großserie möglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist einsetzbar sowohl für die Herstellung von Batteriezellen in der Forschung als auch im Serienbetrieb.
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Ein Einsatzzweck ist beispielsweise bei Lithium-Ionen-Batterien gegeben, beispielsweise bei der Herstellung von sogenannten Jelly Squares, ist aber nicht auf diese Technologie beschränkt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Elektrodenstapel in perspektivischer Ansicht, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann,
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2 eine weitere Ausführungsform eines Elektrodenstapels in perspektivischer Ansicht, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann,
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3 eine Draufsicht auf eine Elektrodenkette gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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4 eine Draufsicht auf eine Gegenelektrodenkette gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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5 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Montagewerkzeug gemäß einer ersten Ausführungsform,
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6 das Montagewerkzeug aus 5 mit einer darin angeordneten Elektrodenkette,
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7 das Montagewerkzeug aus 5 mit darin angeordneten Elektrodenblättern,
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8 das Montagewerkzeug aus 5 mit einer darin angeordneten Elektrodenkette und darauf angeordneten Separatorblättern,
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9 das Montagewerkzeug aus 5 mit darin angeordneten Elektrodenblättern und darauf angeordneten Separatorblättern,
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10 eine Draufsicht auf ein Montagewerkzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit darin angeordneter Elektrodenkette und darauf angeordneter Separatorenkette,
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11 das Montagewerkzeug aus 5 mit einer darin angeordneten Elektrodenkette, Separatorblättern und einer Gegenelektrodenkette und
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12 das Montagewerkzeug aus 10 mit einer darin angeordneten Elektrodenkette, Separatorenkette und Gegenelektrodenkette.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Komponenten vorgesehen. In Einzelfällen wird von einer wiederholten Beschreibung gleicher Komponenten abgesehen.
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1 zeigt einen Elektrodenstapel 1, welcher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann. Bei dem Elektrodenstapel 1 kann es sich um einen Stapel Bicells als auch beidseitig beschichteter Elektroden handeln.
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2 zeigt einen weiteren Elektrodenstapel 1, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann. Der Elektrodenstapel 1 umfasst zwei Elektrodenlagen 2, die einen Gegenelektrodenlage 3 umgeben. Zwischen der Gegenelektrodenlage 3 und der Elektrodenlage 2 ist jeweils eine Separatorlage 4 vorgesehen. Von der Elektrodenlage 2 gehen an einer Seite des Elektrodenstapels 1 Elektrodenstromableiter 9 ab. Von der Gegenelektrodenlage 3 geht auf der gegenüberliegenden Seite ein entsprechender Gegenelektrodenstromableiter 13 ab. Die Elektrodenstromableiter 9 und Gegenelektrodenstromableiter 13 müssen nicht einander gegenüberliegend angeordnet sein, sondern können sich auch auf derselben Seite des Elektrodenstapels 1 befinden oder über Eck zueinander angeordnet sein.
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3 zeigt eine Elektrodenkette 6, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann. Von der Elektrodenkette 6 ist ein Ausschnitt mit drei Elektrodenblättern 7 dargestellt, welche im Wesentlichen einen quadratischen Querschnitt aufweisen und welche Elektrodenstromableiter 9 aufweisen, die ebenfalls flach ausgebildet sind und die an einem Halteband 8 befestigt sind. Das Halteband 8 ist ebenfalls flach ausgebildet. Die Elektrodenkette 6 kann beispielsweise das Produkt eines Stanzprozesses sein, aber auch eines Walzprozesses, Druckprozesses oder Schneideprozesses. Die Elektrodenkette 6 kann eine Endloskette sein. Über das Halteband 8 sind die drei Elektrodenblätter 7 miteinander verbunden. Das Halteband 8 verbindet genauer gesagt in dieser Ausführungsform die Elektrodenstromableiter 9 miteinander. Weitere Haltebänder (nicht dargestellt) können zum Beispiel auf der gegenüberliegenden Seite der Elektrodenblätter 7 vorgesehen sein.
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4 zeigt eine Gegenelektrodenkette 10, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann. Von der Gegenelektrodenkette 10 ist ein Ausschnitt mit drei Gegenelektrodenblättern 11 dargestellt, die mittels eines Gegenelektrodenhaltebands 12 miteinander verbunden sind, genauer gesagt über ihre entsprechenden Gegenelektrodenstromableiter 13. Gegenüber der Elektrodenkette 6, die mit Bezug zu 3 beschrieben wurde, ist die in 4 dargestellte Gegenelektrodenkette 10 spiegelsymmetrisch aufgebaut. Die Gegenelektrodenkette 10 kann eine Endloskette sein.
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In 5 ist eine Montageform 20 dargestellt, welche eine Kavität 21 zur Aufnahme von Elektroden-, Gegenelektroden- und Separatorlagen 2, 3, 4 zur Bildung hier beispielhaft dreier Elektrodenstapel 1 aufweist. Die Montageform 20 umfasst linksseitig und rechtsseitig angedeutete Kopplungsvorrichtungen 26, welche einen modularen Aufbau der Montageform 20 andeuten. Durch Kopplung mehrerer derartiger Montageformen 20 kann eine beliebig festlegbare Anzahl von Elektrodenstapeln 1 erzeugt werden, die am Ende der Montage entweder noch über die Haltebänder 8 miteinander verbunden sein können oder bei denen am Ende die Haltebänder 8 entfernt werden.
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Die Kavität 21 umfasst drei funktionell unterscheidbare Bereiche, nämlich Kavitäten zur Aufnahme von Elektroden-, Gegenelektroden- und Separatorblättern 7, 11, 31, im Folgenden vereinfachend als Elektrodenblattkavitäten 22 bezeichnet, weitere Kavitäten zur Aufnahme der Stromableiter, im Folgenden als Stromableiterkavitäten 24 bezeichnet, und Kavitäten zur Aufnahme der Haltebänder für die Elektroden bzw. Gegenelektroden, im Folgenden als Haltebandkavitäten 23 bezeichnet.
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Die Montageform 20 ist so ausgeführt, dass das Anordnen der mehrerer Elemente der Elektrodenkette 6 als eine Elektrodenlage 2 über das Halteband 8 geführt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist hierzu die Breite B der Haltebandkavität 23 so bemessen, dass das Halteband 8 mit seiner Breite passgenau eingesetzt werden kann. Da die Elektrodenblätter 7 fest mit dem Halteband 8 verbunden sind, erfolgt beim Einsetzen des Haltebands 8 in die Haltebandkavität 23 deren präzise Positionierung in der Montageform 20.
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6 zeigt die in 5 dargestellte Montageform 20, nachdem die mit Bezug zu 3 beschriebene Elektrodenkette 6 darin wie beschrieben angeordnet wurde. Entsprechend den abgestimmten genauen Abmessungen wurden hier z. B. Montagespalte 30 erzeugt, da die Führung und Positionierung der Elektrodenkette 6 in der Montageform 20 mittels des Haltebands 8 erfolgt. Der Montagespalt 30 dient beispielsweise der Gewährleistung eines Überlapps eines Separatorblatts 31 auf dem Elektrodenblatt 7. Die Anordnung der Elektrodenkette 6 in der Montageform 20 bildet in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Elektrodenlage 2 miteinander verbundener Elektrodenblätter 7.
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7 zeigt die Montageform 20 mit einer Elektrodenlage 2 unverbundener Elektrodenblätter 7. Die Anordnung kann beispielsweise durch einen Schritt des Entfernens des Haltebands 8 in 6 erzeugt werden.
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8 zeigt die in der mit Bezug zu 5 beschriebenen Montageform 20 angeordnete Elektrodenlage 2 nach Positionierung einer Separatorlage 4 mit unverbundenen Separatorblättern 31 auf dieser.
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9 zeigt die in 8 dargestellte Elektrodenlage 2 in der Montageform 20, wobei das Halteband 8 entfernt wurde. Der Schritt des Entfernens des Haltebands 8 kann nach oder vor Positionierung der Separatorlage 4 in der Montageform 20 erfolgen.
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10 zeigt eine alternative Ausführungsform der Montageform 20, wobei diese dazu eingerichtet ist, eine Separatorenkette 40, d. h. eine Separatorlage 4 in Form miteinander verbundener Separatorblätter 31 aufzunehmen. Die Montageform 20 weist gegenüber der zuvor beschriebenen Montageform 20 hierzu noch eine weitere Kavität auf, um Stege 33 der Separatorlage 4 aufzunehmen, über die die Separatorblätter 31 an ein Separatorenhalteband 32 geführt sind. Das Separatorenhalteband 32 und die Stege 33 dienen entsprechend der korrekten Positionierung der Separatorblätter 31 in den Elektrodenblätterkavitäten 22. Das Separatorenhalteband 32 kann, genauso wie die Stege 33, nachträglich entfernt werden.
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11 zeigt die Montageform 20, welche mit Bezug zu 6 bis 9 beschrieben wurde, wobei zusätzlich die Gegenelektrodenlage 3 in Form miteinander verbundener Gegenelektrodenblätter 11 darin aufgenommen ist. Die Gegenelektrodenblätter 11 sind hier in beiden Flächendimensionen kleiner ausgebildet als die Separatorblätter 31 und die Elektrodenblätter 7, beispielsweise zwischen 0,1% und 10 % kleiner. Durch die Führung des Anordnens der Gegenelektrodenlage 3 über das Gegenelektrodenhalteband 12 wurde erreicht, dass die Gegenelektrodenblätter 11 in Bezug auf die Separatorblätter 31 und die Elektrodenblätter 7 exakt positioniert werden konnten.
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12 zeigt die mit Bezug zu 10 beschriebene Ausführungsform der Montageform 20 mit entsprechender Positionierung der Gegenelektrodenkette 10 in Form miteinander verbundener Gegenelektrodenblätter 11.
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Die Erfindung ist nicht auf die darin beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind im Bereich der Ansprüche eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die dem Fachmann ersichtlich sind.
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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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