DE102016213149A1

DE102016213149A1 - Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle und Elektrodeneinheit

Info

Publication number: DE102016213149A1
Application number: DE102016213149.4A
Authority: DE
Inventors: Harald Bauer; Armin Glock
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2018-01-25
Also published as: CN107634250A; CN107634250B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, umfassend folgende Schritte: Stapeln von einer Vielzahl von Lagen einer Anode, Lagen einer Kathode und Lagen eines Separators in einer Stapelrichtung (z) zu einem Lagenstapel (50); Anordnen des Lagenstapels (50) derart, dass die Stapelrichtung (z) geneigt zu einer vertikalen Richtung verläuft; Rütteln des Lagenstapels (50) bis mindestens eine Kante (61, 62) einer Vielzahl von Lagen der Anode, der Kathode und des Separators an mindestens einem Anschlag (71, 72, 73) anliegt; und mechanische Fixierung des Lagenstapels (50). Die Erfindung betrifft auch eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, wobei eine Vielzahl von Lagen einer Anode, Lagen einer Kathode und Lagen eines Separators in einer Stapelrichtung zu einem Lagenstapel gestapelt werden. Die Erfindung betrifft auch eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Stand der Technik
Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, zu einer Elektrodeneinheit zusammengefügt. Eine solche Elektrodeneinheit ist beispielsweise als Elektrodenstapel ausgeführt, bei dem mehrere Lagen von Anode, Kathode und Separator übereinander geschichtet sind.
Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit sind elektrisch mit Polen der Batteriezelle verbunden, welche auch als Terminals bezeichnet werden. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben. Die Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist. Das Zellengehäuse ist in der Regel prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Aber auch andere Gehäuseformen, beispielsweise kreiszylindrisch, oder auch flexible Pouchzellen, sind bekannt.
Zur optimalen Funktion muss jeder Fläche einer Anode eine Fläche einer Kathode exakt gegenüberliegen. Andernfalls gehen Flächenanteile für die Energiespeicherung verloren, oder über die Lebensdauer ergeben sich durch solche Positionierungsfehler Schwierigkeiten wie Lithium-Plating an den Randbereichen des Elektrodenstapels.
Daher müssen die Anode, die Kathode und der Separator exakt zueinander positioniert werden. Dies geschieht beispielsweise, indem die Elektroden einzeln und nacheinander exakt an einen mechanischen Anschlag geschoben werden, oder die Lage des bereits gebildeten Stapels und der nächsten Elektrode mit Kameras erfasst werden und eine aktive Positionierung beim Ablegen durchgeführt wird. Dadurch ergibt sich für jeden Fügeprozess der einzelnen Lagen ein erheblicher Zeitbedarf. Die Taktzeit für den einzelnen Stapelschritt ist verhältnismäßig hoch.
Aus der CN 104969399 ist es bekannt, zur Herstellung eines Elektrodenstapels vorgefertigte Einheiten auf einem Rüttelautomat übereinander zu schichten. Besagte Einheiten umfassen jeweils eine Anode, einen Separator und eine Kathode. Die Einheiten werden dann durch Rütteln auf dem Rüttelautomat exakt zueinander ausgerichtet.
Die US 2008/0120829 A1 offenbart ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle. Dabei werden zunächst Einheitsbrennstoffzellen hergestellt, welche positive Elektroden, negative Elektroden und Separatoren umfassen. Anschließend werden mehrere dieser Einheitsbrennstoffzellen auf einem Rüttelautomat gestapelt und mittels einer Vibrationswirkung ausgerichtet.
Aus der EP 0 028 207 B1 ist ein Apparat zum Ausrichten eines Papierbündels bekannt. Dabei wird ein in einem Bündelungsfach angeordnetes Papierbündel durch rütteln ausgerichtet.
Die DE 10 2011 014 583 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung eines Folienstapels. Dabei werden Folienblätter übereinander in einer Stapelform abgelegt.
In der DE 199 31 813 A1 ist eine Vorrichtung zum kantengeraden Ausrichten von Paketen offenbart. Die Vorrichtung umfasst eine Rüttelplatte, auf welcher rechteckige flache Werkstücke positioniert und durch Rütteln zu einem Paket ausgerichtet werden.
Aus der DE 41 30 322 A1 geht ein Rütteltisch zum Rütteln von Blättern hervor. Der Rütteltisch ist dabei aus einer horizontalen Stellung in Richtung von seitlichen Anschlägen neigbar.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst dabei mindestens die nachfolgend aufgeführten Schritte.
Zunächst werden eine Vielzahl von Lagen einer Anode, Lagen einer Kathode und Lagen eines Separators in einer Stapelrichtung zu einem Lagenstapel gestapelt. Der Lagenstapel wird derart angeordnet, dass die Stapelrichtung geneigt zu einer vertikalen Richtung verläuft. Vorzugsweise ist die Stapelrichtung nach dem Anordnen um einen Winkel von etwa 45° zu der vertikalen Richtung orientiert. Anschließend wird der Lagenstapel gerüttelt, bis mindestens eine Kante einer Vielzahl von Lagen der Anode, der Kathode und des Separators an mindestens einem Anschlag anliegt.
Der mindestens eine Anschlag ist dabei seitlich neben dem Lagenstapel angeordnet und weist einen Anschlagsbereich auf, welcher sich entlang der Stapelrichtung erstreckt. Nach dem Rütteln sind die Lagen der Anode, der Kathode und des Separators somit zumindest annähernd bündig in Stapelrichtung ausgerichtet.
Danach wird der Lagenstapel mechanisch fixiert, beispielsweise indem die Lagen der Anode, der Kathode und des Separators geklammert werden. Nachfolgend werden Kontaktfahnen von Stromableitern der Lagen der Anode sowie Kontaktfahnen von Stromableitern der Lagen der Kathode jeweils elektrisch miteinander verbunden. Dadurch entsteht aus dem Lagenstapel die Elektrodeneinheit.
Beim Stapeln kann die Stapelrichtung dabei in die vertikale Richtung verlaufen. Nach dem Stapeln wird der Lagenstapel dann um eine in horizontale Richtung verlaufende Achse gekippt.
Alternativ kann beim Stapeln die Stapelrichtung bereits geneigt zu der vertikalen Richtung verlaufen.
Vorteilhaft kann vor dem Stapeln und/oder beim Stapeln des Lagenstapels zwischen den Lagen der Anode, der Kathode und des Separators ein Schmiermittel eingebracht werden. Das Schmiermittel vermindert die Reibung zwischen den aufeinander liegenden Lagen. Bei dem Schmiermittel handelt es sich beispielsweise um Carbon Black.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Lagen zunächst mit annähernd gleicher Orientierung übereinander gestapelt, und das Rütteln des Lagenstapels erfolgt solange, bis mindestens eine erste Kante einer Vielzahl von Lagen der Anode, der Kathode und des Separators an einem ersten Anschlag anliegt, und eine zweite Kante einer Vielzahl von Lagen der Anode, der Kathode und des Separators an einem zweiten Anschlag anliegt.
Das Ausrichten der Lagen der Anode, der Kathode und des Separators durch das Rütteln des Lagenstapels erfolgt dabei vorwiegend durch translatorische Bewegungen der Lagen der Anode, der Kathode und des Separators in eine Querrichtung und in ein Längsrichtung, welche jeweils rechtwinklig zu der Stapelrichtung orientiert sind.
Es können auch drei Anschläge vorgesehen sein, und das Rütteln des Lagenstapels erfolgt solange, bis die zweite Kante einer Vielzahl von Lagen der Anode, der Kathode und des Separators zusätzlich an dem dritten Anschlag anliegt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Lagen der Anode, die Lagen der Kathode und die Lagen des Separators um mindestens einen Dorn zu dem Lagenstapel gestapelt. Dabei weisen den Lagen der Anode, der Kathode und des Separators je eine Bohrung auf, welche der mindestens eine Dorn beim Stapeln durchdringt. Der mindestens eine Dorn ist dabei vorzugsweise zumindest annähernd kreiszylindrisch ausgebildet und erstreckt sich in die Stapelrichtung.
Das Ausrichten der Lagen der Anode, der Kathode und des Separators durch das Rütteln des Lagenstapels erfolgt dabei vorwiegend durch rotatorische Bewegungen der Lagen der Anode, der Kathode und des Separators um den mindestens einen Dorn.
Denkbar ist auch, dass die Lagen der Anode um einen ersten Dorn gestapelt werden, und die Lagen der Kathode um einen zweiten Dorn gestapelt werden, wobei der erste Dorn parallel versetzt zu dem zweiten Dorn angeordnet ist. Die Lagen des Separators können dabei wahlweise um den ersten Dorn, um den zweiten Dorn oder auch abwechselnd um den ersten und den zweiten Dorn gestapelt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der mindestens eine Anschlag entlang der Stapelrichtung einen Anschlagsbereich mit einer Profilierung auf. Die Profilierung weist dazu beispielsweise konvexe Vorsprünge und konkave Ausbuchtungen auf, welche insbesondere in Form eines Sägezahnprofils angeordnet sind.
Es wird auch eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle vorgeschlagen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit findet vorteilhaft Verwendung in einer Batteriezelle in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Unter Consumer-Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen.
Vorteile der Erfindung
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist das bündige Ausrichten der einzelnen Lagen des Lagenstapels mit geringerem Aufwand und in kürzerer Taktzeit durchführbar. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können die einzelnen Lagen des Lagenstapels ohne besondere technische Hilfsmittel, wie beispielsweise Kameras zur optischen Positionserkennung, verhältnismäßig genau ausgerichtet werden. Weiterhin ist die Gefahr der Beschädigung von relativ dünnen und biegeschlaffen Folien, insbesondere des Separators, durch nachträgliches Verschieben vorteilhaft verringert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
2 jeweils eine Lage einer Anode, einer Kathode und eines Separators,
3 eine Seitenansicht eines auf einer Positioniereinheit befindlichen Lagenstapels,
4 eine Draufsicht auf den auf der Positioniereinheit befindlichen Lagenstapel aus 3,
5 Schritte zum Stapeln eines Lagenstapels in einer alternativen Ausführungsform,
6 eine alternative Ausgestaltung eines Anschlags und
7 eine weitere alternative Ausgestaltung eines Anschlags.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Gehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Gehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt.
Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
Innerhalb des Gehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit 10 angeordnet, welche vorliegend als Elektrodenstapel ausgeführt ist. Die Elektrodeneinheit 10 weist zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, auf. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und durch einen Separator 18 voneinander separiert. Der Separator 18 ist ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41 und einen Stromableiter 31. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42 und einen Stromableiter 32. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
In 2 ist eine Lage der Anode 21, eine Lage der Kathode 22 und eine Lage des Separators 18 dargestellt. Zur Herstellung der Elektrodeneinheit 10 werden eine Vielzahl von Lagen der Anode 21, Lagen der Kathode 22 und Lagen des Separators 18 derart aufeinander gestapelt, dass jeweils eine Lage des Separators 18 zwischen je einer Lage der Anode 21 und einer Lage der Kathode 22 angeordnet ist.
Die Lagen der Anode 21, die Lagen der Kathode 22 und die Lagen des Separators 18 sind flach und plattenförmig ausgebildet. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Ausdehnung einer Lage in eine Längsrichtung x annähernd gleich groß, insbesondere mindestens halb so groß und höchstens doppelt so groß, ist wie eine Ausdehnung der Lage in eine Querrichtung y, welche rechtwinklig zu der Längsrichtung x orientiert ist.
Die plattenförmig ausgebildeten Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 weisen vorliegend jeweils einen zumindest annähernd rechteckigen Querschnitt auf und sind umlaufend von mehreren Kanten begrenzt. Eine erste Kante 61 verläuft dabei vorliegend in Querrichtung y, und eine zweite Kante 62 verläuft in Längsrichtung x.
Die Lage der Anode 21 umfasst den Stromableiter 31, der als metallische Folie ausgebildet ist, und auf welchen das anodische Aktivmaterial 41, vorliegend beidseitig, aufgebracht ist. Von dem Stromableiter 31 der Anode 21 ragt eine Kontaktfahne 35 weg, welche nicht mit dem anodischen Aktivmaterial 41 beschichtet ist. Die Kontaktfahnen 35 der Lagen der Anode 21 dienen zum Kontaktieren der Lagen der Anode 21 miteinander sowie mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2.
Die Lage der Anode 21 umfasst ferner einen Hilfsanschlag 25, der sich vorliegend entlang der Längsrichtung x erstreckt, und an dem die zweite Kante 62 der Lage der Anode 21 ausgebildet ist. Der Hilfsanschlag 25 der Lage der Anode 21 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem Kunststoff, gefertigt, und vorliegend an den Stromableiter 31 der Anode 21 angeklebt. Es kann ein weiterer Hilfsanschlag 25 der Lage der Anode 21 vorgesehen sein, welcher sich entlang der Querrichtung y erstreckt.
Die Lage der Kathode 22 umfasst den Stromableiter 32, der als metallische Folie ausgebildet ist, und auf welchen das kathodische Aktivmaterial 42, vorliegend beidseitig, aufgebracht ist. Von dem Stromableiter 32 der Kathode 22 ragt eine Kontaktfahne 36 weg, welche nicht mit dem kathodischen Aktivmaterial 42 beschichtet ist. Die Kontaktfahnen 36 der Lagen der Kathode 22 dienen zum Kontaktieren der Lagen der Kathode 22 miteinander sowie mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2.
Die Lage der Kathode 22 umfasst ferner einen Hilfsanschlag 26, der sich vorliegend entlang der Längsrichtung x erstreckt, und an dem die zweite Kante 62 der Lage der Kathode 22 ausgebildet ist. Der Hilfsanschlag 26 der Lage der Kathode 22 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem Kunststoff, gefertigt, und vorliegend an den Stromableiter 32 der Kathode 22 angeklebt. Es kann ein weiterer Hilfsanschlag 26 der Lage der Kathode 22 vorgesehen sein, welcher sich entlang der Querrichtung y erstreckt.
3 zeigt eine Seitenansicht eines auf einer Positioniereinheit 70 befindlichen Lagenstapels 50. Der Lagenstapel 50 umfasst dabei eine Vielzahl von Lagen der Anode 21, Lagen der Kathode 22 und Lagen des Separators 18, welche in einer Stapelrichtung z zu dem Lagenstapel 50 gestapelt sind. Die Stapelrichtung z ist dabei rechtwinklig zu der Querrichtung y und rechtwinklig zu der Längsrichtung x orientiert.
Die Lagen der Anode 21, die Lagen der Kathode 22 und die Lagen des Separators 18 sind dabei verhältnismäßig unpräzise zu dem Lagenstapel 50 gestapelt. Die ersten Kanten 61 der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 fluchten somit in Stapelrichtung z nicht miteinander sondern sind zueinander versetzt und/oder geneigt. Auch die zweiten Kanten 62 der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 fluchten in Stapelrichtung z nicht miteinander sondern sind zueinander versetzt und/oder geneigt.
Die Positioniereinheit 70 umfasst einen Rütteltisch 75, an welchem ein erster Anschlag 71, eine zweiter Anschlag 72 und ein dritter Anschlag 73 angebracht sind. Die besagten Anschläge 71, 72, 73 sind vorliegend stabförmig ausgebildet und stehen rechtwinklig von dem Rütteltisch 75 ab. Der Lagenstapel 50 ist derart auf dem Rütteltisch 75 der Positioniereinheit 70 positioniert, dass die Stapelrichtung z sich parallel zu den stabförmig ausgebildeten Anschlägen 71, 72, 73 erstreckt.
4 zeigt eine Draufsicht auf den auf der Positioniereinheit 70 befindlichen Lagenstapel 50 aus 3. Der Lagenstapel 50 ist derart auf dem Rütteltisch 75 der Positioniereinheit 70 positioniert, dass die ersten Kanten 61 der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 benachbart zu dem ersten Anschlag 71 liegen. Ferner liegen die zweiten Kanten 62 der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 benachbart zu dem zweiten Anschlag 72 und dem dritten Anschlag 73.
Die Kontaktfahnen 35 der Lagen der Anode 21 sowie die Kontaktfahnen 36 der Lagen der Kathode 22 ragen dabei auf einer dem zweiten Anschlag 72 und dem dritten Anschlag 73 gegenüberliegenden Seite weg. Die Kontaktfahnen 35 der Lagen der Anode 21 fluchten dabei annähernd miteinander. Auch die Kontaktfahnen 36 der Lagen der Kathode 22 fluchten annähernd miteinander. Die Kontaktfahnen 35 der Lagen der Anode 21 sind zu den Kontaktfahnen 36 der Lagen der Kathode 22 in Längsrichtung x versetzt angeordnet.
In der in 3 und in 4 gezeigten Darstellung, unmittelbar nach dem Stapeln der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 zu dem Lagenstapel 50, verläuft die Stapelrichtung z in vertikale Richtung.
Zum Ausrichten des Lagenstapels 50, also zum bündigen Ausrichten der ersten Kanten 61 der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 sowie der zweiten Kanten 62 der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 miteinander wird der Rütteltisch 75 der Positioniereinheit 70 um eine in horizontale Richtung verlaufende Achse gekippt. Der Rütteltisch 75 wird dabei um einen Winkel, der groß genug ist, um die Selbsthemmung der einzelnen Lagen gegen Verrutschen zu überwinden, und der zwischen 5° und 85°, vorzugsweise 45°, beträgt, gekippt.
Dadurch wird der Lagenstapel 50 ebenso um die in horizontale Richtung verlaufende Achse gekippt. Danach verläuft die Stapelrichtung z um den gleichen Winkel geneigt zu der vertikalen Richtung. Vorliegend wird der Rütteltisch 75 der Positioniereinheit 70 mit dem Lagenstapel 50 derart gekippt, dass eine zwischen den ersten Kanten 61 und den zweiten Kanten 62 gebildete Ecke in vertikale Richtung nach unten gekippt wird.
Dadurch rutscht der Lagenstapel 50 auf dem Rütteltisch 75 auf die Anschläge 71, 72, 73 zu bis mindestens eine erste Kante 61 mindestens einer Lage der Anode 21, der Kathode 22 oder des Separators 18 an dem ersten Anschlag 71 anliegt, oder bis mindestens eine zweite Kante 62 mindestens einer Lage der Anode 21, der Kathode 22 oder des Separators 18 an dem zweiten Anschlag 72 oder dem dritten Anschlag 73 anliegt.
Alternativ dazu kann der Rütteltisch 75 der Positioniereinheit 70 bereits vor dem Stapeln der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 zu dem Lagenstapel 50 um die in horizontale Richtung verlaufende Achse um den besagten Winkel gekippt sein. Somit verläuft die Stapelrichtung z schon beim Stapeln und auch unmittelbar nach dem Stapeln der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 zu dem Lagenstapel 50 um den gleichen Winkel geneigt zu der vertikalen Richtung.
Anschließend wird der Rütteltisch 75 der Positioniereinheit 70 in Vibrationen versetzt. Die Vibrationen können dabei in vertikale Richtung ebenso wie in horizontale Richtung erfolgen oder statistisch ungerichtet sein. Dadurch erfolgt ein Rütteln des Lagenstapels 50. Das Rütteln des Lagenstapels 50 erfolgt solange, bis mindestens eine erste Kante 61 einer Vielzahl von Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 an dem ersten Anschlag 71 anliegt und eine zweite Kante 62 einer Vielzahl von Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 an dem zweiten Anschlag 72 und dem dritten Anschlag 73 anliegt.
Die Lagen der Anode 21, die Lagen der Kathode 22 und die Lagen des Separators 18 sind danach verhältnismäßig präzise zu dem Lagenstapel 50 gestapelt. Die ersten Kanten 61 der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 fluchten somit in Stapelrichtung z miteinander. Auch die zweiten Kanten 62 der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 fluchten in Stapelrichtung z miteinander.
Die Hilfsanschläge 25, 26 der Anode 21 sowie der Kathode 22 gewährleisten dabei, dass die Lagen des Separators 18 in Querrichtung y über die Stromableiter 31, 32 der Anode 21 sowie der Kathode 22 und über das anodische Aktivmaterial 41 sowie das kathodische Aktivmaterial 42 überstehen.
Anschließend erfolgt eine mechanisch Fixierung des Lagenstapels 50, beispielsweise durch Klammern. Anschließend werden die Kontaktfahnen 35 der Anode 21 miteinander verbunden, und die Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 werden miteinander verbunden. Dadurch entsteht die als Elektrodenstapel ausgebildete Elektrodeneinheit 10.
5 zeigt Schritte zum Stapeln eines Lagenstapels 50 in einer alternativen Ausführungsform. An dem nicht explizit dargestellten Rütteltisch 75 der nicht explizit dargestellten Positioniereinheit 70 sind ein zweiter Anschlag 72 und ein dritter Anschlag 73 angebracht. Ferner sind ein erster Dorn 81 und ein zweiter Dorn 82 vorgesehen. Die Anschläge 72, 73 und die Dorne 81, 82 sind vorliegend stabförmig ausgebildet und erstrecken sich parallel zu der Stapelrichtung z.
In einem ersten Schritt wird eine Lage der Kathode 22 positioniert. Die Kontaktfahne 36 der Lage der Kathode 22 weist dabei eine Bohrung 80 auf, welche über den ersten Dorn 81 gelegt wird, so dass der erste Dorn 81 die Bohrung 80 durchgreift. An der der Kontaktfahne 36 der Lage der Kathode 22 gegenüber liegenden Seite ist ein Hilfsanschlag 26 der Kathode 22 vorgesehen, der vorliegend in Form einer Nase ausgebildet ist. An dieser Nase ist die zweite Kante 62 der Lage der Kathode 22 ausgebildet.
In einem zweiten Schritt wird eine Lage des Separators 18 positioniert. Die Lage des Separators 18 weist dabei einen Überstand 19 auf, in welchem eine Bohrung 80 angeordnet ist. Die Bohrung 80 wird vorliegend über den ersten Dorn 81 gelegt, so dass der erste Dorn 81 die Bohrung 80 durchgreift. Die zweite Kante 62 des Separators 18 ist an der dem Überstand 19 gegenüber liegenden Seite des Separators 18 ausgebildet.
In einem dritten Schritt wird eine Lage der Anode 21 positioniert. Die Kontaktfahne 35 der Lage der Anode 21 weist dabei eine Bohrung 80 auf, welche über den zweiten Dorn 82 gelegt wird, so dass der zweite Dorn 82 die Bohrung 80 durchgreift. An der der Kontaktfahne 35 der Lage der Anode 21 gegenüber liegenden Seite ist ein Hilfsanschlag 25 der Anode 21 vorgesehen, der vorliegend in Form einer Nase ausgebildet ist. An dieser Nase ist die zweite Kante 62 der Lage der Anode 21 ausgebildet.
In einem vierten Schritt wird eine weitere Lage des Separators 18 positioniert. Die Bohrung 80 dieser Lage des Separators 18 wird vorliegend ebenfalls über den ersten Dorn 81 gelegt, so dass der erste Dorn 81 die Bohrung 80 durchgreift. Diese Lage des Separators 18 könnte aber auch so positioniert werden, dass der zweite Dorn 82 die Bohrung 80 durchgreift.
Die Lagen des Separators 18 erstrecken sich in Längsrichtung x beidseitig über die Lagen der Anode 21 sowie der Kathode 22 hinaus. In Querrichtung y erstrecken sich die Lagen des Separators 18 beidseitig über das anodische Aktivmaterial 41 sowie über das kathodische Aktivmaterial 42 hinaus.
Die besagten Schritte zum Positionieren der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 werden dabei so oft wiederholt, bis die gewünschte Anzahl von Lagen zu dem Lagenstapel 50 gestapelt ist.
Zum Ausrichten des Lagenstapels 50 wird der Rütteltisch 75 der Positioniereinheit 70 um eine in horizontale Richtung verlaufende Achse gekippt. Dadurch wird der Lagenstapel 50 ebenso um die in horizontale Richtung verlaufende Achse gekippt. Danach verläuft die Stapelrichtung z geneigt zu der vertikalen Richtung. Anschließend wird der Rütteltisch 75 der Positioniereinheit 70 in Vibrationen versetzt. Die Vibrationen können dabei in vertikale Richtung ebenso wie in horizontale Richtung erfolgen.
Dadurch erfolgt ein Rütteln des Lagenstapels 50, und dadurch eine Drehung der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 um die Dorne 81, 82. Die Drehrichtungen der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 sind dabei durch Pfeile in der 5 angedeutet. Das Rütteln des Lagenstapels 50 erfolgt solange, bis mindestens eine zweite Kante 62 einer Vielzahl von Lagen der Anode 21 und des Separators 18 an dem dritten Anschlag 73 anliegt, und bis mindestens eine zweite Kante 62 einer Vielzahl von Lagen der Kathode 22 und des Separators 18 an dem zweiten Anschlag 72 anliegt. Ferner bewirkt das Rütteln, dass die Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 an den Dornen 81, 82 entlang auf den Rütteltisch 75 zu rutschen.
Die Lagen der Anode 21, die Lagen der Kathode 22 und die Lagen des Separators 18 sind danach verhältnismäßig präzise zu dem Lagenstapel 50 gestapelt. Die zweiten Kanten 62 der Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 fluchten in Stapelrichtung z miteinander. Anschließend erfolgt eine mechanisch Fixierung des Lagenstapels 50, beispielsweise durch Klammern. Anschließend werden die Kontaktfahnen 35 der Anode 21 miteinander verbunden, und die Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 werden miteinander verbunden. Dadurch entsteht die als Elektrodenstapel ausgebildete Elektrodeneinheit 10.
Eine alternative Ausgestaltung eines Anschlags, vorliegend des zweiten Anschlags 72, der Positioniereinheit 70 ist in 6 dargestellt. Der zweite Anschlag 72 weist einen Anschlagsbereich 90 auf, welcher mit einer Profilierung versehen ist. Die Profilierung weist dazu alternierend konvexe Vorsprünge und konkave Ausbuchtungen auf, welche insbesondere in Form eines Sägezahnprofils angeordnet sind.
Vorliegend ragen die konkaven Ausbuchtungen abwechselnd tiefer und weniger tief in den zweiten Anschlag 72 hinein. Beim Stapeln des Lagenstapels 50 werden dabei die Lagen des Separators 18 derart positioniert, dass sie in jeweils eine tiefere Ausbuchtung hinein ragen, und die Lagen der Anode 21 sowie der Kathode 22 werden derart positioniert, dass sie in jeweils eine weniger tiefe Ausbuchtung hinein ragen.
In Teil a) der 6 ist der Lagenstapel 50 vor dem Rütteln dargestellt. Der Anschlagsbereich 90 des zweiten Anschlags 72 erstreckt sich dabei entlang der Stapelrichtung z des Lagenstapels 50.
Nach dem Rütteln des Lagenstapels 50 mittels des Rütteltischs 75 liegen die Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 bündig in den Vertiefungen des Anschlagsbereichs 90 an dem zweiten Anschlag 72 an. Anschließend wird der zweite Anschlag 72 weggeschwenkt, wie in Teil b) der 6 dargestellt ist. Dabei fallen die Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 aufeinander. Dabei ragen die Lagen des Separators 18 weiter nach außen als die Lagen der Anode 21 sowie der Kathode 22.
Eine weitere alternative Ausgestaltung eines Anschlags, vorliegend des zweiten Anschlags 72, der Positioniereinheit 70 ist in 7 dargestellt. Dabei ist in Teil a) der 7 eine Draufsicht auf den Lagenstapel 50 gezeigt, und ist in Teil b) der 7 ist eine Seitenansicht auf den Lagenstapel 50 gezeigt.
Der zweite Anschlag 72 weist, ähnlich wie der in 6 gezeigte zweite Anschlag 72, einen Anschlagsbereich 90 auf, welcher mit einer Profilierung versehen ist. Die Profilierung weist dazu alternierend konvexe Vorsprünge und konkave Ausbuchtungen auf, welche insbesondere in Form eines Sägezahnprofils angeordnet sind.
Der zweite Anschlag 72 ist dabei um eine Drehachse D drehbar, welche parallel zu der Stapelrichtung z des Lagenstapels 50 verläuft. Ferner ist der zweite Anschlag 72 konisch ausgebildet. Die konvexen Vorsprünge und die konkaven Ausbuchtungen der Profilierung laufen dabei jeweils in Form einer Schnecke um den zweiten Anschlag 72 um.
Nach dem Rütteln des Lagenstapels 50 erfolgt eine Drehung des zweiten Anschlags 72 um die Drehachse D. Dadurch werden die die Lagen der Anode 21, der Kathode 22 und des Separators 18 aus der Profilierung heraus geschoben und fallen aufeinander. Dabei ragen die Lagen des Separators 18 weiter nach außen als die Lagen der Anode 21 sowie der Kathode 22.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 104969399 [0007]
US 2008/0120829 A1 [0008]
EP 0028207 B1 [0009]
DE 102011014583 A1 [0010]
DE 19931813 A1 [0011]
DE 4130322 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit (10) für eine Batteriezelle (2), umfassend folgende Schritte: – Stapeln von einer Vielzahl von Lagen einer Anode (21), Lagen einer Kathode (22) und Lagen eines Separators (18) in einer Stapelrichtung (z) zu einem Lagenstapel (50); – Anordnen des Lagenstapels (50) derart, dass die Stapelrichtung (z) geneigt zu einer vertikalen Richtung verläuft; – Rütteln des Lagenstapels (50) bis mindestens eine Kante (61, 62) einer Vielzahl von Lagen der Anode (21), der Kathode (22) und des Separators (18) an mindestens einem Anschlag (71, 72, 73) anliegt; – mechanische Fixierung des Lagenstapels (50).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Stapeln die Stapelrichtung (z) in die vertikale Richtung verläuft, und nach dem Stapeln der Lagenstapel (50) um eine in horizontale Richtung verlaufende Achse gekippt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Stapeln die Stapelrichtung (z) geneigt zu der vertikalen Richtung verläuft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei vor dem Stapeln und/oder beim Stapeln des Lagenstapels (50) zwischen den Lagen der Anode (21), der Kathode (22) und des Separators (18) ein Schmiermittel eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Rütteln des Lagenstapels (50) solange erfolgt, bis mindestens eine erste Kante (61) einer Vielzahl von Lagen der Anode (21), der Kathode (22) und des Separators (18) an einem ersten Anschlag (71) anliegt, und eine zweite Kante (62) einer Vielzahl von Lagen der Anode (21), der Kathode (22) und des Separators (18) an einem zweiten Anschlag (72) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Rütteln des Lagenstapels (50) solange erfolgt, bis die zweite Kante (62) einer Vielzahl von Lagen der Anode (21), der Kathode (22) und des Separators (18) zusätzlich an einem dritten Anschlag (73) anliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Lagen der Anode (21), die Lagen der Kathode (22) und die Lagen des Separators (18) um mindestens einen Dorn (81, 82), welcher je eine Bohrung (80) in den Lagen der Anode (21), der Kathode (22) und des Separators (18) durchdringt, zu dem Lagenstapel (50) gestapelt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Lagen der Anode (21) um einen ersten Dorn (81) gestapelt werden, und die Lagen der Kathode (22) um einen zweiten Dorn (82) gestapelt werden, wobei der erste Dorn (81) parallel versetzt zu dem zweiten Dorn (82) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Anschlag (71, 72, 73) entlang der Stapelrichtung (z) einen Anschlagsbereich (90) mit einer Profilierung aufweist.
Elektrodeneinheit (10) für eine Batteriezelle (2), hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verwendung einer Elektrodeneinheit (10) nach Anspruch 10 in einer Batteriezelle (2) in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt.