-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle durch Schneiden von bandförmigen Elementen zu plattenförmigen Segmenten und Stapeln der Segmente. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, die einen Elektrodenstapel aufweist, der 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, beispielsweise zu einem Elektrodenstapel gestapelt. Die Elektroden können auch zu einem Elektrodenwickel gewunden sein oder auf eine andere Art eine Elektrodeneinheit bilden.
-
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.
-
Wesentliche Bestrebung bei der Entwicklung von neuen Batteriezellen ist, das elektrochemische Nutzvolumen in der Zelle zu erhöhen. Als geeignetste Bauform einer Elektrodeneinheit zur Maximierung des Nutzvolumens hat sich der Elektrodenstapel herausgestellt, da dieser sowohl ideal prismatisch als auch in einer beliebigen anderen Geometrie hergestellt werden kann.
-
Bei Lithium-Ionen-Batteriezellen kann es zum Metallisieren des für den Ladungstransport vorgesehenen Lithiums kommen. Metallisiertes Lithium steht dann für den Ladungstransport nicht mehr zur Verfügung, und dadurch sinkt die Kapazität der Batteriezelle. Das Metallisieren von Lithium kann verhindert oder zumindest verringert werden, wenn die Anode in dem Elektrodenstapel über die Kathode heraus ragt.
-
Aus der
WO 2015/015274 ist eine Batterie mit einer Elektrodeneinheit bekannt, die eine negative Elektrodenfolie und eine positive Elektrodenfolie umfasst. Die negative Elektrodenfolie weist dabei eine größere Breite auf als die positive Elektrodenfolie.
-
Die
US 2011/0039140 offenbart eine Batterie mit einer Elektrodeneinheit, die eine negative Elektroden und eine positive Elektrode umfasst. Die positive Elektrode weist einen Stromableiter auf, der beidseitig mit Aktivmaterial beschichtet ist. In das Aktivmaterial sind Nuten eingebracht.
-
In der
CN 203932198 ist eine Lithium-Ionen-Batterie offenbart, die eine Elektrodeneinheit mit Elektrodenfolien umfasst. Eine der Elektrodenfolien weist einen Stromableiter auf, der mit Aktivmaterial beschichtet ist. In das Aktivmaterial sind mittels eines Lasers Nuten eingebracht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst dabei mindestens die nachfolgend aufgeführten Schritte.
-
Zunächst wird ein bandförmiges Anodenelement bereitgestellt, das einen anodischen Stromableiter umfasst, auf welchen ein anodisches Aktivmaterial aufgebracht ist. Ebenfalls wird ein bandförmiges Kathodenelement bereitgestellt, das einen kathodischen Stromableiter umfasst, auf welchen ein kathodisches Aktivmaterial aufgebracht ist. Weiterhin wird mindestens ein bandförmiges Separatorelement bereitgestellt.
-
Das Anodenelement, das Kathodenelement und das mindestens eine Separatorelement sind vorliegend flach und bandförmig ausgebildet. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Ausdehnung der besagten Elemente in eine Längsrichtung viel größer, insbesondere mindestens zehnmal größer, ist als eine Ausdehnung der besagten Elemente in eine Querrichtung, welche rechtwinklig zu der Längsrichtung orientiert ist.
-
Anschließend werden Nuten in das kathodische Aktivmaterial um Segmentierungslinien herum eingebracht. Bevorzugt werden die Nuten dabei derart in das kathodische Aktivmaterial eingebracht, dass die Segmentierungslinien zentriert in den Nuten liegen. Die Nuten durchdringen dabei das kathodische Aktivmaterial vorzugsweise vollständig und erstrecken sich somit vorzugsweise bis auf den kathodischen Stromableiter.
-
Danach wird ein bandförmiges Verbundelement durch Aufbringen des Kathodenelements auf das Anodenelement unter Zwischenlage des mindestens einen Separatorelements erzeugt. Das Kathodenelement, das mindestens eine Separatorelement und das Anodenelement werden vorzugsweise miteinander verbunden, insbesondere laminiert.
-
Anschließend erfolgt ein Schneiden des Verbundelements zu plattenförmigen Verbundsegmenten an den Segmentierungslinien des kathodischen Aktivmaterials, um welche herum die Nuten zuvor eingebracht wurden. Diese Operation wird auch als "Vereinzelung" bezeichnet.
-
Das Kathodenelement, das mindestens eine Separatorelement und das Anodenelement werden dabei gemeinsam im gleichen Arbeitsgang zu plattenförmigen Segmenten geschnitten. Die so erzeugten Verbundsegmente umfassen jeweils ein Kathodensegment, ein Anodensegment und mindestens ein Separatorsegment, welche vorzugsweise miteinander verbunden sind.
-
Die Verbundsegmente ebenso wie die Kathodensegmente, die Anodensegmente und die Separatorsegmente sind vorliegend flach und plattenförmig ausgebildet. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Ausdehnung der besagten Segmente in Längsrichtung annähernd gleich groß, insbesondere mindestens halb so groß und höchstens doppelt so groß, ist wie eine Ausdehnung der besagten Segmente in Querrichtung.
-
Dann erfolgt ein Stapeln von zuvor erzeugten Verbundsegmenten. Durch das Stapeln einer ausreichenden Anzahl von Verbundsegmenten entsteht der Elektrodenstapel für die Batteriezelle.
-
Vorteilhaft weist das Anodenelement eine Breite in Querrichtung auf, welche größer ist als eine Breite des Kathodenelements in Querrichtung. Somit ragt das Anodenelement innerhalb des Verbundelements in Querrichtung über das Kathodenelement heraus. Auch ragen somit die Anodensegmente innerhalb der Verbundsegmente in Querrichtung über die Kathodensegmente heraus.
-
Bevorzugt verlaufen die Segmentierungslinien und die in das kathodische Aktivmaterial eingebrachten Nuten in Querrichtung und somit rechtwinklig zu der Längsrichtung.
-
Vorzugsweise ist das kathodische Aktivmaterial dabei beidseitig auf den kathodischen Stromableiter aufgebracht. Dabei sind die Nuten vorzugsweise beidseitig in das kathodische Aktivmaterial eingebracht. Ebenso ist vorzugsweise das anodische Aktivmaterial beidseitig auf den anodischen Stromableiter aufgebracht.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden mehrere der Nuten, vorzugsweise alle Nuten, mittels eines Lasers in das kathodische Aktivmaterial eingebracht.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen mehrere der Nuten, vorzugsweise alle Nuten, einen zumindest annähernd U-förmigen Querschnitt auf.
-
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen mehrere der Nuten, vorzugsweise alle Nuten, einen zumindest annähernd dreieckigen Querschnitt auf.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen mehrere der Nuten, vorzugsweise alle Nuten, einen zumindest annähernd rechteckigen Querschnitt auf.
-
Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, die mindestens einen Elektrodenstapel umfasst, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
-
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung 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
-
Das erfindungsgemäße Verfahren entsteht ein Elektrodenstapel, in welchem die die Anode über die Kathode heraus ragt. Dadurch ist ein Metallisieren von Lithium in dem Elektrodenstapel vorteilhaft verhindert oder zumindest verringert.
-
Auch die erforderliche Prozesszeit beim Stapeln der Verbundsegmente im Vergleich zum Stapeln von einzelnen Elektrodensegmenten und einzelnen Separatorsegmenten vorteilhaft verringert. Ferner ist die Ausrichtung der Verbundsegmente zueinander beim Stapeln weniger toleranzbehaftet und damit weniger fehleranfällig als beim Stapeln von einzelnen Anodensegmenten, einzelnen Kathodensegmenten und einzelnen Separatorsegmenten. Dadurch sind die Kosten zur Herstellung eines Elektrodenstapels vorteilhaft verringert. Die Nuten können einen annähernd beliebigen Querschnitt aufweisen, wobei sich bestimmte Querschnittsformen je nach Herstellverfahren als besonders vorteilhaft erweisen. Durch das Einbringen der Nuten wird das Aktivmaterial lokal von dem Stromableiter entfernt. Dieses Entfernen des Aktivmaterials kann auf mehrere Arten, beispielsweise mechanisch erfolgen Bevorzugt erfolgt das Entfernen des Aktivmaterials jedoch mittels eines Lasers, wodurch die Prozesszeit zur Herstellung des Elektrodenstapels vorteilhaft verringert ist, und wodurch die Kosten zur Herstellung eines Elektrodenstapels weiter verringert sind.
-
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 eine schematische Darstellung eines Anodenelements und eines Kathodenelements,
-
3a eine schematische Schnittdarstellung des Kathodenelements entlang der Schnittlinie A-A in 2 gemäß einer ersten Ausführungsform,
-
3b eine schematische Schnittdarstellung des Kathodenelements entlang der Schnittlinie A-A in 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform,
-
3c eine schematische Schnittdarstellung des Kathodenelements entlang der Schnittlinie A-A in 2 gemäß einer dritten Ausführungsform,
-
4 eine schematische Schnittdarstellung eines Verbundelements und
-
5 eine schematische Schnittdarstellung eines Verbundsegments.
-
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 angeordnet, welche vorliegend als Elektrodenstapel 10 ausgeführt ist. Der Elektrodenstapel 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 anodischen Stromableiter 31. Der anodische Stromableiter 31 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der anodische Stromableiter 31 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
-
Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42 und einen kathodischen Stromableiter 32. Der kathodische Stromableiter 32 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der kathodische Stromableiter 32 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Anodenelements 45 und eines Kathodenelements 46. Das Anodenelement 45 und das Kathodenelement 46 sind flach und bandförmig ausgebildet. Eine Ausdehnung des Anodenelements 45 und des Kathodenelements 46 in eine Längsrichtung x ist viel größer, insbesondere mindestens zehnmal größer, ist als eine Ausdehnung des Anodenelements 45 und des Kathodenelements 46 in eine Querrichtung y, welche rechtwinklig zu der Längsrichtung x orientiert ist. Das Anodenelement 45 und das Kathodenelement 46 sind jeweils auf eine Rolle gewickelt.
-
Das Anodenelement 45 umfasst einen anodischen Stromableiter 31, auf welchen ein anodisches Aktivmaterial 41 aufgebracht ist. Das anodische Aktivmaterial 41 ist beidseitig auf den anodischen Stromableiter 31 aufgebracht. Das Anodenelement 45 weist in Querrichtung y eine Breite d1 auf.
-
Das Kathodenelement 46 umfasst einen kathodischen Stromableiter 32, auf welchen ein kathodisches Aktivmaterial 42 aufgebracht ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 ist beidseitig auf den kathodischen Stromableiter 32 aufgebracht. Das Kathodenelement 46 weist in Querrichtung y eine Breite d2 auf, welche kleiner ist als die Breite d1 des Anodenelements 45.
-
In das kathodische Aktivmaterial 42 sind Nuten 70 eingebracht, welche sich in Querrichtung y erstrecken. Die Nuten 70 durchdringen dabei das kathodische Aktivmaterial 42 vollständig und erstrecken sich bis auf den kathodischen Stromableiter 32. Die Nuten 70 sind beidseitig in das kathodische Aktivmaterial 42 eingebracht. Die besagten Nuten 70 werden mittels eines Lasers in das kathodische Aktivmaterial 42 eingebracht.
-
Die Nuten 70 sind um Segmentierungslinien S herum in das kathodische Aktivmaterial 42 eingebracht. Die Segmentierungslinien S liegen dabei zentriert in den Nuten 70. Die Segmentierungslinien S erstrecken sich ebenfalls sich in Querrichtung y und sind in Längsrichtung x in äquidistanten Abständen zueinander angeordnet.
-
3a zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Kathodenelements 46 entlang der Schnittlinie A-A in 2 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Nuten 70 weisen dabei einen annähernd U-förmigen Querschnitt auf. Die Außenwände der Nuten 70 verlaufen in einem dem kathodischen Stromableiter 32 abgewandten Bereich zunächst parallel zueinander und gehen bei Annäherung an den kathodischen Stromableiter 32 in eine halbkreisförmige Rundung über.
-
3b zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Kathodenelements 46 entlang der Schnittlinie A-A in 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Nuten 70 weisen dabei einen zumindest annähernd dreieckigen Querschnitt auf. Die Außenwände der Nuten 70 sind in einem dem kathodischen Stromableiter 32 abgewandten Bereich verhältnismäßig weit voneinander beabstandet und verlaufen bei Annäherung an den kathodischen Stromableiter 32 geneigt zueinander und aufeinander zu.
-
3c zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Kathodenelements 46 entlang der Schnittlinie A-A in 2 gemäß einer dritten Ausführungsform. Die Nuten 70 weisen dabei einen zumindest annähernd rechteckigen Querschnitt auf. Die Außenwände der Nuten 70 sind in einem dem kathodischen Stromableiter 32 abgewandten Bereich voneinander beabstandet und verlaufen parallel zueinander und rechtwinklig zu dem kathodischen Stromableiter 32 auf den kathodischen Stromableiter 32 zu.
-
4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Verbundelements 50, welches ein Kathodenelement 46 gemäß der ersten Ausführungsform, wie 3a gezeigt, umfasst. Das Verbundelement 50 umfasst ferner ein Anodenelement 45 sowie eine erstes Separatorelement 16 und auch ein zweites Separatorelement 16.
-
Das Kathodenelement 46 ist dabei auf das erste Separatorelement 16 aufgebracht und mit dem ersten Separatorelement 16 verbunden. Auf einer dem Kathodenelement 46 abgewandten Seiten des ersten Separatorelements 16 ist das Anodenelement 45 aufgebracht und mit dem ersten Separatorelement 16 verbunden. Auf einer dem ersten Separatorelement 16 abgewandten Seiten des Anodenelements 45 ist das zweite Separatorelement 16 aufgebracht und mit dem Anodenelements 45 verbunden.
-
Das Verbundelement 50 entsteht vorliegend durch Aufbringen des Kathodenelements 46 auf das Anodenelement 45 unter Zwischenlage des ersten Separatorelements 16 und Aufbringen des zweiten Separatorelements 16 auf das Anodenelement 45. Das Verbundelement 50 wird dann an den Segmentierungslinien S in den Nuten 70 in dem kathodischen Aktivmaterial 42 geschnitten. Durch das Schneiden des bandförmigen Verbundelements 50 an den besagten Segmentierungslinien S entstehen somit plattenförmige Verbundsegmente 52.
-
5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines solchen Verbundsegments 52. Das so erzeugte Verbundsegment 52 umfasst ein Kathodensegment 56, ein Anodensegment 55 und zwei Separatorsegmente 17. Dabei ist ein erstes Separatorsegment 17 zwischen dem Anodensegment 55 und dem Kathodensegment 56 angeordnet. Ein zweites Separatorsegment 17 ist auf der dem ersten Separatorsegment 17 abgewandten Seite des Anodensegments 55 angeordnet. Das Kathodensegment 56, das Anodensegment 55 und die zwei Separatorsegmente 17 sind miteinander verbunden.
-
Danach werden mehrere solcher Verbundsegmente 52 zu dem Elektrodenstapel 10 übereinander gestapelt. Die Verbundsegmente 52 werden dabei mit gleicher Orientierung übereinander gestapelt. Es ergibt sich somit stets die Abfolge Separatorsegment 17 – Anodensegment 55 – Separatorsegment 17 – Kathodensegment 56 – Separatorsegment 17 usw.
-
Von den anodischen Stromableitern 31 ragen hier nicht dargestellte Kontaktfahnen der Anode 21 aus den Verbundsegmenten 52 heraus. Von den kathodischen Stromableitern 32 ragen hier nicht dargestellte Kontaktfahnen der Kathode 22 aus den Verbundsegmenten 52 heraus. Die Verbundsegmente 52 werden beim Stapeln derart angeordnet, dass die Kontaktfahnen der Anode 21 fluchten, und dass die Kontaktfahnen der Kathode 22 fluchten. Dabei werden die Kontaktfahnen der Anode 21 versetzt zu den Kontaktfahnen der Kathode 22 positioniert.
-
Nachfolgend werden die Kontaktfahnen 35 der Anode 21 miteinander und mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 elektrisch verbunden. Ebenso werden nachfolgend die Kontaktfahnen 36 der Kathode 22 miteinander und mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 elektrisch verbunden. Die Verbindung der Kontaktfahnen miteinander sowie mit den Terminals 11, 12 erfolgt vorzugsweise durch Schweißen.
-
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
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2015/015274 [0007]
- US 2011/0039140 [0008]
- CN 203932198 [0009]
