DE102016218490A1

DE102016218490A1 - Verfahren zur Herstellung eines Folienstapels für eine Batteriezelle

Info

Publication number: DE102016218490A1
Application number: DE102016218490.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Juestel; Thomas Kretschmar; Mathias Derra; Johannes Proell; Juergen Herold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2018-03-29
Also published as: WO2018059971A1; EP3520157A1; JP2019530177A; KR102404455B1; CN109792018A; KR20190062466A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Folienstapels für eine Batteriezelle mit den folgenden Schritten: Bereitstellen einer Separatorfolie (4) mit zumindest einer ersten Schicht (6), die ein Polyolefin aufweist, und zumindest einer Keramikschicht (8), Abtragen der Keramikschicht (8) an definierten Stellen (10) der Separatorfolie (4) mittels eines Lasers, Anordnen einer ersten Elektrodenfolie auf der Separatorfolie (4), Verbinden der Separatorfolie (4) an Stellen, an denen die Keramikschicht (8) abgetragen wurde, mit einer weiteren Separatorfolie oder nach Faltung mit sich selbst zur Ausbildung einer Tasche, in welcher die erste Elektrodenfolie angeordnet ist und Anordnen derartig hergestellter Taschen und zweiter Elektrodenfolien zu Folienstapeln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Folienstapels für eine Batteriezelle.
Stand der Technik
US 2015/0202647 A zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, bei dem eine Separatorfolie ausgebildet wird, wobei die Separatorfolie ein Substrat aus einem porösen Polyolefinharzfilm und eine darauf angeordnete hitzebeständige Keramikschicht aufweist. Die hitzebeständige Schicht wird an Bereichen, an denen der Separator geschweißt wird, ausgespart.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Stapelgeschwindigkeit und eine Positionierungspräzision bei der Herstellung eines Folienstapels für eine Batteriezelle zu erhöhen. Eine weitere Aufgabe ist es, eine kostengünstige Verbindungstechnik von Separatorfolien in Folienstapeln bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Folienstapels für eine Batteriezelle umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen einer Separatorfolie mit zumindest einer ersten Schicht, die ein Polyolefin aufweist, und zumindest einer Keramikschicht,
b) Abtragen der Keramikschicht an definierten Stellen der Separatorfolie mittels eines Lasers,
c) Anordnen einer ersten Elektrodenfolie auf der Separatorfolie,
d) Verbinden der Separatorfolie an den Stellen, an denen die Keramikschicht abgetragen wurde,
d1) mit einer weiteren Separatorfolie oder
d2) nach Faltung mit sich selbst zur Ausbildung einer Tasche, in welcher die erste Elektrodenfolie angeordnet ist, und
e) Anordnen derartig hergestellter Taschen und zweiter Elektrodenfolien zu Folienstapeln.

Mit „Folie“ wird eine im Wesentlichen flach ausgebildete Elektrode oder Separatorschicht bezeichnet. Bei der flachen Elektrode oder Separatorschicht sind zwei räumliche Dimensionen um eine oder bevorzugt mehrere Größenordnungen größer ausgebildet als die dritte räumliche Dimension. Die Folie kann in der Fläche eine beliebige Form aufweisen, zum Beispiel quadratisch, rechteckig, abgerundete Ecken, oval, kreisförmig oder ähnliches.
Unter „Tasche“ wird eine Anordnung bezeichnet, bei welcher die Elektrodenfolie zwischen zwei Separatorfolien nach Art eines Sandwiches angeordnet ist. Die Tasche kann an einer, zwei, drei oder vier Seiten punktuell oder vollständig geschlossen sein. Punktuell verschlossen bedeutet an einer Stelle, zwei Stellen, drei Stellen, vier Stellen oder noch mehr Stellen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird zunächst die erste Elektrodenfolie im Wesentlichen gleich groß wie die Separatorfolie ausgebildet bereitgestellt und auf dieser positioniert. Der Begriff „Im Wesentlichen gleich groß“ bedeutet dabei, dass die erste Elektrodenfolie die Separatorfolie bis auf die definierten Stellen, an denen die Keramikschicht abgetragen wird oder wurde, großflächig überdeckt. Beispielsweise ist die erste Elektrodenfolie um einen Randbereich kleiner ausgebildet, auf dem sich die definierten Stellen befinden. Eine bevorzugt spiegelsymmetrisch gleich wie die Separatorfolie ausgebildete weitere Separatorfolie wird bereitgestellt, der Anordnung mit der Separatorfolie und der ersten Elektrodenfolie zugeführt und auf dieser Anordnung positioniert. Durch Verbinden der Separatorfolien an Stellen, an denen die Keramikschichten abgetragen wurden, wird die Tasche gebildet, in welcher die erste Elektrodenfolie angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform können die Folien kontinuierlich „vom Band“ bereitgestellt werden. Dabei können die Taschen am Band produziert und in weiteren Schritten vereinzelt werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die erste Elektrodenfolie im Wesentlichen gleich groß ausgebildet ist wie die Hälfte der Separatorfolie. Der Begriff „Im Wesentlichen gleich groß“ bedeutet hier ebenfalls, dass die erste Elektrodenfolie die Hälfte der Separatorfolie bis auf die definierten Stellen, an denen die Keramikschicht abgetragen wird oder wurde, großflächig überdeckt. Beispielsweise ist die erste Elektrodenfolie um einen Randbereich kleiner ausgebildet, auf dem sich die definierten Stellen befinden. Die erste Elektrodenfolie wird auf einer Hälfte der Separatorfolie angeordnet, woraufhin die Separatorfolie in der Mitte gefaltet wird, so dass die Hälfte, auf welcher die erste Elektrodenfolie nicht angeordnet ist, auf die Hälfte der Separatorfolie, auf welcher die erste Elektrodenfolie angeordnet ist, gefaltet wird. Durch Verbinden der beiden Separatorfolienhälften an Stellen, an denen die Keramikschichten abgetragen wurden, wird die Tasche gebildet, in welcher die erste Elektrodenfolie angeordnet ist. Auch hier kann die Zuführung der Folien vom Band erfolgen. Zweckmäßig werden die Folien vor der Faltung vereinzelt.
Es kann daher vorgesehen sein, die Elektrodenfolien und Separatorfolien kontinuierlich zuzuführen, so dass die definierten, Laser-abgetragenen Bereiche zur Deckung kommen und daraufhin miteinander verbunden werden. Es kann vorgesehen sein, die Separatorfolien und Elektrodenfolien vor dem Verbinden zuzuschneiden oder nach dem Verbinden zuzuschneiden.
Die Keramikbeschichtung befindet sich zumindest auf der Innenseite der Tasche. Die Tasche beinhaltet nach der Herstellung die erste Elektrodenfolie und kann in einem weiteren Schritt alternierend mit jeweils einer zweiten Elektrodenfolie zügig zu einem Elektrodenstapel aufgebaut werden. Die zweite Elektrodenfolie ist dabei bevorzugt nicht in einer Tasche angeordnet, d. h. „unverpackt“.
Die erste Schicht der Separatorfolie weist ein Polyolefin auf, wobei bevorzugt biaxial verstrecktes PP (Polypropylen) oder PE (Polyethylen) eingesetzt wird. Die Dicke der ersten Schicht beträgt bevorzugt von 10 bis 30 µm.
Eine zweite Schicht der Separatorfolie umfasst eine Keramik, bevorzugt Al₂O₃ oder Böhmit. Die Dicke der Keramikschicht beträgt bevorzugt von 1 bis 5 µm.
Das Abtragen der Keramikschicht erfolgt mittels eines Lasers, wobei bevorzugt ein Laser eingesetzt wird, dessen Laserstrahl dazu ausgebildet ist, die Keramikbeschichtung durch Multiphotonen-Absorptionsprozesse zu verdampfen, was auch als kalter Materialabtrag bezeichnet wird. Der Laser wird auf der beschichteten Separatoroberfläche fokussiert, um dort die Keramikbeschichtung gezielt abzutragen.
Der Laser ist bevorzugt so eingerichtet, dass die erste Schicht mit dem Polyolefin-Trägermaterial nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere ist der Laserstrahl so ausgebildet, dass bei dessen Einwirkung die elektrochemischen Eigenschaften, insbesondere Porengröße, Gurley-Wert und MacMullin-Zahl der ersten Schicht nicht verändert werden.
Bevorzugt wird hierzu ein Laser mit einem gepulsten Laserstrahl eingesetzt. Besonders bevorzugt wird hierzu ein Laser mit einem gepulsten Laserstrahl mit Pulsbreiten von 80 fs bis 100 ps eingesetzt. Durch den Einsatz der Ultrakurzpuls-Laserstrahlung und der daraus resultierenden hohen Strahlintensitäten auf der beschichteten Separatoroberfläche wird die Keramikbeschichtung sehr effektiv verdampft.
Der Laser weist bevorzugt eine Laserleistung von 0,1 bis 400 W auf. Alternativ kann der Laser eine mittlere Laserleistung von mehr als 400 W aufweisen. Bevorzugt wird ein Laser eingesetzt, welcher eine Laserscangeschwindigkeit von 0,1 bis 20 m/s aufweist. Besonders bevorzugt wird ein Laser eingesetzt, der eine Scangeschwindigkeit von mehr als 20 m/s aufweist. Bevorzugt wird ein Laser eingesetzt, der einen Fokusdurchmesser auf der Materialoberfläche von 5 bis 100 µm aufweist. Alternativ bevorzugt wird ein Laser eingesetzt, welcher einen Fokusdurchmesser auf der Materialoberfläche von mehr als 100 µm aufweist.
Als Laser wird bevorzugt ein Laser mit einer Wellenlänge zwischen 300 nm und 1100 nm eingesetzt, d. h. aus dem UV-Bereich bis nahem Infrarotbereich. Besonders bevorzugt wird ein Laser mit einer Wellenlänge von 343 nm, 515 nm oder 1030 bis 1064 nm eingesetzt.
In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, einen Excimerlaser einzusetzen, welcher bevorzugt eine Wellenlänge von zwischen 100 und 300 nm aufweist, besonders bevorzugt 157 nm, 193 nm oder 248 nm. Der Excimerlaser umfasst bevorzugt ein Flattop-Strahlprofil. Weiter bevorzugt weist der Excimerlaser eine Pulsdauer im Nanosekundenbereich auf. Der Excimerlaser wird auf die beschichtete Separatoroberfläche fokussiert und es erfolgt ein photochemischer oder photothermischer Materialabtrag.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die definierten Stellen der Separatorfolie von 1 mm² bis 10 cm² groß ausgebildet. Die Größe und Form der definierten Stellen ist auf die Methode ihrer Verbindung im Schritt d) abgestimmt. Die definierten Stellen können beispielsweise quadratisch, rechteckig, kreisförmig, oval oder linienförmig ausgebildet sein. Bevorzugte Größenordnungen quadratischer Stellen sind von 5 mm × 5 mm bis 10 mm × 10 mm. Bevorzugte Größen von rechteckig ausgebildeten abzutragenden Stellen sind von 5 mm × 10 mm bis 10 mm × 20 mm. Kreisförmige Stellen weisen bevorzugt einen Radius von 1 mm bis 10 mm auf. Linienförmige Stellen sind in der Breite durch den Laserstrahl vorgegeben und können sich z. B. über Längen von 1 mm bis 20 cm erstrecken.
Die definierten Stellen, an denen die Keramikschicht in Schritt b) abgetragen wird, sind bevorzugt symmetrisch angeordnet. Insbesondere sind sie bevorzugt spiegelsymmetrisch zu einer Hauptachse der Separatorfolie angeordnet. Letztere Ausführungsform ist insbesondere bei der Falttechnologie zu bevorzugen.
Die Anzahl der definierten Stellen ist pro Tasche beispielsweise von 3 bis 20, bevorzugt 4 bis 12. Es kann vorgesehen sein, 3 oder 4 definierte Stellen nach Art eines gleichseitigen Dreiecks oder eines Quadrats anzuordnen. Es kann vorgesehen sein, ein Quadrat oder Rechteck mit weiteren definierten Stellen zu interpolieren, beispielsweise zwischen den Ecken noch weitere Punkte vorzusehen, so dass hier 8 definierte Stellen 10 vorgesehen sind.
Die definierten Stellen werden beispielsweise mittels Polymerultraschallschweißen, Laserschweißen, Heißsiegeln, thermischem Bonden, Nähen, Rändeln und/oder Nadeln miteinander verbunden.
Es kann vorgesehen sein, zunächst einige der definierten Stellen miteinander zu verbinden, daraufhin die Elektrode einzusetzen und danach weitere der definierten Stellen miteinander zu verbinden.
In einer alternativen Ausführungsform werden die definierten Stellen mittels Laserdurchstrahlschweißen miteinander verbunden. Hierzu eignet sich z. B. eine Diodenlaserstrahlung, wobei die definierten Stellen, d. h. hier die zu verschweißenden Bereiche, mittels eines transparenten Niederhalters gehalten und anschließend thermisch verbunden werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der WO 2006/000273 A1 bekannt.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle wird in einem ersten Schritt ein Folienstapel wie beschrieben hergestellt und in weiteren Schritten der Folienstapel in einem Batteriezellengehäuse angeordnet. Das Batteriezellengehäuse wird mit einem Elektrolyten befüllt und verschlossen.
Die Batteriezelle kann sowohl eine Primärbatteriezelle als auch eine Sekundärbatteriezelle bzw. Akkumulatorzelle sein, welche eingerichtet ist, elektrische Energie zu speichern und chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und umgekehrt.
Die Erfindung ist auf alle Arten von Zellen anwendbar, die aus einzelnen Folien aufgebaut werden, zum Beispiel Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Schwefel-Batterien, Magnesium-Batterien. Insbesondere kann die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Zelle sein, die sich typischerweise durch besonders hohe Energiedichte, thermische Stabilität und geringe Selbstentladung auszeichnet. Der Einsatzzweck für die vorgestellte Batteriezelle kann insbesondere in Kraftfahrzeugen sein wie Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen und Plug-In-Hybridfahrzeugen.
Als erste Elektrode für Lithium-Ionen-Zellen wird bevorzugt eine doppelseitig beschichtete Elektrode eingesetzt. Insbesondere wird vorgeschlagen, eine Kathode zum Beispiel der Form LiNi_xMn_yCo_zO₂, LiNiCoAlO₂, LiCoO₂, LiMn₂O₄, LiFePO₄ oder Modifikationen daraus zu verwenden. Als Anoden werden bevorzugt Interkalationsanoden eingesetzt, insbesondere Graphit, Carbon Nanotubes oder Buckyballs. Alternativ können Konversionsanoden, z. B. Si, Sn, verwendet werden.
Der Einsatzort der erfindungsgemäß hergestellten Elektrodenstapel ist beispielsweise gestapelte Lithium-Ionen-Pouchzellen, Hardcase-Zellen, insbesondere prismatische Hardcase-Zellen, BEV, Nutshell-Zellen und Mikrozellen.
Vorteile der Erfindung
Der Einsatz keramikbeschichteter Separatoren verspricht eine höhere Sicherheit und Zuverlässigkeit der Lithium-Ionen-Zellen für den Einsatz zum Beispiel in Automotive-Anwendungen. Keramikbeschichtete Polyolefinseparatoren weisen darüber hinaus Vorteile in Bezug auf Hochvoltstabilität auf.
Vorteilhaft wird die Schrumpfung des Separators bei Temperatureinwirkung vermieden.
Die vorliegende Erfindung stellt den Erhalt der Vorteile der keramikbeschichteten Polyolefinseparatoren sicher und ermöglicht eine kostengünstige Verbindungstechnik insbesondere ohne den Einsatz von adhäsiven Zusatzwerkstoffen wie Klebstoffen oder Klebebändern.
Die Erfindung erlaubt, bei der Herstellung der Folienstapel die Stapelgeschwindigkeit im Vergleich zum Stand der Technik zu erhöhen. Der Stapelprozess kann technisch weiter in Richtung Hochgeschwindigkeitsstapeln optimiert werden. Durch die Erhöhung der Stapelgeschwindigkeit kann die Zellproduktion erhöht werden.
Weiter vorteilhaft wird die Lageänderung der einzelnen Schichten zueinander vermieden, so dass eine zuverlässige Fixierung im Zellverbund erreicht wird.
Durch die Vorkonditionierung der Separatorfolien zu einer Tasche mit innen liegender und gleichzeitig fixierter Elektrode können z. B. Lithium-Ionen-Zellstapel schnell und positionsgenau aufgebaut werden. Während bei derzeitig eingesetzten Stapelprozessen, welche typischerweise auf Pick&Place-Techniken basieren, bei denen die Kathoden-, Separatoren- und Anodenfolien alternierend aufeinander abgelegt werden, die Taktzeiten unterhalb von 10 Hz und die Positioniergenauigkeiten nur bei 0,5 mm liegen, kann durch die vorgeschlagene Technologie die Taktzeit und die Positioniergenauigkeit über die angegebenen Zahlenwerte hinaus erhöht werden.
Die Erfindung verspricht eine Erhöhung der Volumenausnutzung des Zellgehäuses, d. h. der räumlichen Kapazität der Zelle. Des Weiteren erlaubt die Erfindung auch eine Verringerung des Materialausschusses.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß präparierte Separatorfolie,
2 eine Draufsicht auf eine Anordnung mit einer erfindungsgemäß präparierten Separatorzelle und einer ersten Elektrodenfolie,
3 eine durchscheinende Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Tasche, in welcher eine erste Elektrodenfolie angeordnet ist,
4 zwei Schritte in einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren,
5 eine Draufsicht auf eine Anordnung mit einer erfindungsgemäß präparierten Separatorfolie und darauf angeordneten ersten Elektrodenfolien und einer weiteren Separatorfolie
6 eine durchscheinende Draufsicht auf erfindungsgemäße Taschen, in welchen erste Elektrodenfolien angeordnet sind, in Durchsicht und
7 eine schematische Darstellung eines Verfahrensschritts zur Herstellung des Folienstapels.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt eine Separatorfolie 4, die zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren vorbereitet ist.
Die Separatorfolie 4 weist einen rechteckigen Grundriss auf und umfasst eine erste Separatorfolienhälfte 4a und eine zweite Separatorfolienhälfte 4b, welche jeweils beispielhaft einen quadratischen Grundriss aufweisen. Die erste Separatorfolienhälfte 4a und die zweite Separatorfolienhälfte 4b sind bezüglich einer Achse y, die eine Hauptachse der Separatorfolie 4 bildet, spiegelsymmetrisch ausgebildet.
Die Separatorfolie 4 weist eine erste Schicht 6 auf, die ein Polymermaterial, insbesondere eine Polyolefinfolie wie biaxial verstrecktes PP, PE usw. enthält. Die erste Schicht 6 ist einseitig mit einer Keramik beschichtet, z. B. mit Al₂O₃ oder Böhmit. Die Keramikschicht 8 bedeckt zunächst die gesamte erste Schicht 6 der Separatorfolie 4, was nicht dargestellt ist. Dargestellt in 1 ist die Separatorfolie 4, nachdem an definierten Stellen 10 ein lokaler Abtrag der Keramikschicht 8 erfolgt ist. Der lokale Abtrag kann beispielsweise mittels eines Faserlasers, vorzugsweise gepulste Laserstrahlung, am meisten bevorzugt Ultrakurzpuls-Laserstrahlung mit Pulsdauern im Bereich von Piko- oder Femtosekunden oder mittels eines Excimerlasers erfolgt sein.
Die definierten Stellen 10, an denen die Keramikschicht 8 abgetragen wurde, sind bezüglich der Achse y symmetrisch angeordnet, d. h. dass die erste Separatorfolienhälfte 4a und die zweite Separatorfolienhälfte 4b spiegelsymmetrisch definierte Stellen 10 aufweisen, an denen die Keramikschicht 8 abgetragen wurde.
Der beschriebene spiegelsymmetrische Aufbau der ersten und zweiten Separatorfolienhälften 4a, 4b ist dadurch bedingt, dass die erste Separatorfolienhälfte 4a während des Herstellungsverfahrens des Folienstapels 2 auf die zweite Separatorfolienhälfte 4b entlang einer Faltlinie 12, welche mit der Achse y zusammenfällt, gefaltet wird. In 1 ist dies durch die beiden Pfeile angedeutet. Die definierten Stellen 10 befinden sich am Rand der Separatorfolie 4. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die erste und die zweite Separatorfolienhälfte 4a, 4b jeweils sieben definierte Stellen 10 auf, welche entlang des Rands positioniert sind. Vier definierte Stellen 10 sind dabei in den Ecken des quadratischen Grundrisses angeordnet und weitere drei definierte Stellen 10 sind jeweils in der Mitte einer Seite angeordnet. Alternative Ausführungsformen sind selbstverständlich möglich, so können etwa die in den Ecken gelegenen definierten Stellen 10 nicht vorhanden sein oder etwa die in den Seiten gelegenen definierten Stellen 10 nicht vorhanden sein. Selbstverständlich können weitere definierte Stellen 10 vorgesehen sein, beispielsweise zusätzlich zu den Ecken jeweils zwei oder mehr definierte Stellen 10 pro Seitenkante. Zentral, also jeweils in der Mitte einer Separatorfolienhälfte 4a, 4b, kann eine achte definierte Stelle 10 vorgesehen sein.
2 zeigt die Separatorfolie 4 aus 1, wobei auf der zweiten Separatorfolienhälfte 4b eine erste Elektrodenfolie 14 angeordnet ist. Die erste Elektrodenfolie 14 umfasst einen beispielhaft quadratisch geformten Bereich mit aktiven Schichten 16 und einen Stromableiter 18. Der Bereich mit den aktiven Schichten 16 ist bezüglich der zweiten Separatorfolienhälfte 4b zentral angeordnet und von den definierten Stellen 10 umgeben. Die erste Elektrodenfolie 14 ist in ihren Abmessungen etwas kleiner als die zweite Separatorfolienhälfte 4b ausgebildet, so dass ein Rand in allen Richtungen übersteht, auf dem sich die definierten Stellen 10 befinden. Der Stromableiter 18 steht nach Art eines Fähnchens über die Separatorfolie 4 hinaus und dient der Kontaktierung der ersten Elektrodenfolie 14 von außen.
3 zeigt eine Tasche 20, welche nach Faltung der in 2 dargestellten Anordnung mit der ersten Elektrodenfolie 14 und der Separatorfolie 4 entsteht. Dabei wurde die erste Separatorfolienhälfte 4a entlang der Faltlinie 12 auf die zweite Separatorfolienhälfte 4b gefaltet, wie durch die Pfeile in 2 angedeutet. Die Tasche 20 umfasst daher zwei Lagen der Separatorfolie 4, nämlich eine untere Lage, welche durch die zweite Separatorfolienhälfte 4b gebildet ist, darauf angeordnet die erste Elektrodenfolie 14, und darüber eine ober Lage, die durch die erste Separatorfolienhälfte 4a gebildet ist. Der Stromableiter 18 steht über die Tasche 20 hinaus.
Die definierten Stellen 10 sind nun in den Ecken der Tasche 20 angeordnet und zusätzlich gibt es drei definierte Stellen 10, welche die Ecken interpolieren.
4 zeigt einen Schritt im Herstellungsverfahren eines Folienstapels 2, wobei die mit Bezug zu 3 beschriebene Tasche 20 zunächst an den definierten Stellen 10 verarbeitet wird. Die definierten Stellen 10 bilden Verbindungsstellen, wo nun die übereinanderliegenden, von Keramik befreiten Bereiche der Separatorfolie 4 vorliegen. An den definierten Stellen 10 werden die betreffenden Schichten mittels Ultraschall oder anderen Verfahren verbunden.
Über so genannte Pick&Place-Techniken, beispielsweise Roboter in Scara- oder Delta-Bauweise, wird die Tasche 20 in eine Montageform überführt, welche durch Positionierführungen 24 angedeutet ist. Die Positionierführungen 24 sind so angeordnet, dass eine wechselnde Anordnung von Taschen 20 und zweiten Elektrodenfolien 22 aufeinander den Folienstapel 2 bildet. Wie in 4 dargestellt, weist die zweite Elektrodenfolie 22 in etwa ähnliche Abmessungen wie die Tasche 20 auf, d. h. in dieser Ausführungsform ähnliche Abmessungen wie die ersten oder zweiten Separatorfolienhälften 4a, 4b. Lediglich in Richtung des Stromableiters 18 der zweiten Elektrodenfolie 22 verbleibt ein Positionierspalt 25.
Das mit Bezug zu 1 bis 4 dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht Taktzeiten von 10 Hz oder darüber hinaus sowie Positioniergenauigkeiten von weniger als 0,5 mm zwischen den Separator- und Elektrodenfolien 4, 14, 22 sowie bezüglich der Elektrodenfolien 14, 22 untereinander.
Die Elektrodenfolien 14, 22 sind bevorzugt doppelseitig beschichtete Elektrodenfolien 14, 22, was sowohl die Kathode als auch die Anode betrifft. Alternativ können einseitig beschichtete Elektrodenfolien 14, 22 vorgesehen sein. Weiterhin wird bevorzugt die Kathodenfolie als erste Elektrodenfolie 14 in der Tasche 20 positioniert, da diese im Allgemeinen etwas kleiner als die Anodenfolie ausgebildet ist. Die zweiten Elektrodenfolien 22 sind dann entsprechend als Anodenfolien ausgeführt. Alternativ kann die Anodenfolie die erste Elektrodenfolie 14 und die Kathodenfolie die zweite Elektrodenfolie 22 bilden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Separatorfolie 4, welche mit Bezug zu 1 dargestellt und beschrieben worden ist, als kontinuierlich zugeführtes Folienband bereitgestellt wird. Der Zuschnitt in die einzelnen Separatorfolien 4 kann beispielsweise nach der Positionierung der erste Elektrodenfolie 14 erfolgen oder vorher. Dabei kann der Falt- und Schneideprozess in einem kombinierten Montageschritt erfolgen.
Mit Bezug zu 5 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei zunächst eine Separatorfolie 4 bereitgestellt wird, die, wie mit Bezug zu 1 beschrieben, die erste Schicht 6 und die Keramikschicht 8 aufweist (in 5 nicht extra dargestellt), wobei die Keramikschicht 8 an definierten Stellen 10 abgetragen wurde. Weiterhin wird eine weitere Separatorfolie 40 bereitgestellt, die so ausgebildet ist, so dass die definierten Stellen 10 bei Ablage der weiteren Separatorfolie 40 auf der Separatorfolie 4 zur Deckung kommen.
Das mit Bezug zu 5 bis 7 dargestellte und beschriebene Verfahren umfasst jedoch keinen Faltschritt. Stattdessen werden die Separatorfolie 4 und die weitere Separatorfolie 40 als Separatorfolienbahnen 26, 28 bereitgestellt, eine Anordnung mit ersten Elektrodenfolien 14 und der ersten Separatorfolienbahn 26 geschaffen, wobei die ersten Elektrodenfolien 14 auf der ersten Separatorfolienbahn 26 positioniert sind. Die zweite Separatorfolienbahn 28 wird daraufhin zugeführt und auf der Anordnung mit den ersten Elektrodenfolien 14 und der ersten Separatorfolienbahn 26 positioniert.
6 zeigt die mit Bezug zu 5 beschriebene Anordnung nach Positionierung der zweiten Separatorfolienbahn 28 auf der ersten Separatorfolienbahn 26. Die zweite Separatorfolienbahn 28 ist spiegelsymmetrisch zur ersten Separatorfolienbahn 26 bezüglich der Lage und Anordnung der definierten Stellen 10 ausgebildet, so dass diese bei der Positionierung aufeinanderfallen.
In 6 ist dargestellt, wie an den definierten Stellen 10 Verbindungsschritte erfolgen, beispielsweise mittels Ultraschall oder den zuvor beschriebenen thermischen Methoden. Weiterhin ist es dargestellt, dass mittels eines Laserschnitts 30 entlang der Schneidelinien 32 die Separatorfolienbahnen 26, 28 in die einzelnen Taschen 20 vereinzelt werden. In dem dargestellten Beispiel sind die Taschen 20 rechteckig ausgestaltet.
7 zeigt den Schritt des Anordnens der Taschen 20 in einem Montagewerkzeug, das durch die Positionierführungen 24 dargestellt ist und der zweiten Elektrodenfolien 22 zum Folienstapel 2.
Mit Bezug zu 1 bis 4 wurde ein Folienstapel 2 beschrieben, welcher im Wesentlichen quadratisch ausgebildet ist und mit Bezug zu 5 bis 7 wurde ein Folienstapel 2 beschrieben, welcher rechteckig ausgebildet ist. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass die beschriebenen Verfahren nicht auf die dargestellten Geometrien beschränkt sind.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des angegebenen Bereichs weitere Abwandlungen und Ergänzungen möglich, die dem Fachmann ersichtlich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2015/0202647 A [0002]
WO 2006/000273 A1 [0024]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Folienstapels (2) für eine Batteriezelle mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Separatorfolie (4) mit zumindest einer ersten Schicht (6), die ein Polyolefin aufweist, und zumindest einer Keramikschicht (8), b) Abtragen der Keramikschicht (8) an definierten Stellen (10) der Separatorfolie (4) mittels eines Lasers, c) Anordnen einer ersten Elektrodenfolie (14) auf der Separatorfolie (4), d) Verbinden der Separatorfolie (4) an den definierten Stellen (10), an denen die Keramikschicht (8) abgetragen wurde, d1) mit einer weiteren Separatorfolie (40) oder d2) nach Faltung mit sich selbst zur Ausbildung einer Tasche (20), in welcher die erste Elektrodenfolie (14) angeordnet ist, und e) Anordnen derartig hergestellter Taschen (20) und zweiter Elektrodenfolien (22) zu Folienstapeln (2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser einen gepulsten Laserstrahl mit Pulsbreiten von 80 fs bis 100 ps aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser eine Wellenlänge von 300 nm bis 1100 nm, bevorzugt 343 nm, 515 nm oder 1030 bis 1064 nm aufweist, oder dass der Laser eine Wellenlänge von 100 nm bis 300 nm, bevorzugt 157 nm, 193 nm oder 248 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Stellen (10) der Separatorfolie (4) im Schritt b) von von 1 mm² bis 10 cm² groß ausgebildet sind, bevorzugt quadratisch von 5 mm × 5 mm bis 10 mm × 10 mm, rechteckig von 5 mm × 10 mm bis 10 mm × 20 mm oder kreisförmig mit einem Radius von 1 mm bis 10 mm oder linienförmig ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Stellen (10) der Separatorfolie (4) im Schritt b) spiegelsymmetrisch zu einer Hauptachse der Separatorfolie (4) zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Tasche (20) die Anzahl der definierten Stellen (10) von 3 bis 20, bevorzugt 4 bis 12 ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Stellen (10) mittels Polymer-Ultraschallschweißen, Laserschweißen, Heißsiegeln, thermischem Bonden, Nähen, Rändeln und/oder Nadeln miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Stellen (10) mittels Laserdurchstrahlschweißen miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorfolie (4) und die weitere Separatorfolie (40) als Separatorfolienbahnen (26, 28) bereitgestellt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, wobei in einem ersten Schritt ein Folienstapel (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt wird und in weiteren Schritten der Folienstapel (2) in einem Batteriezellengehäuse angeordnet wird, das Batteriezellengehäuse mit einem Elektrolyten befüllt und verschlossen wird.