DE102017216101A1 - Method for producing an electrode arrangement, electrode arrangement and battery cell comprising at least one electrode arrangement - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung (10) vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt das Bereitstellen einer ersten Separatorfolie (12). Anschließend erfolgt ein erstes Auftragen eines Klebstoffs gemäß einem vorgegebenen ersten Auftragsmuster auf die erste Separatorfolie (12), wobei ein erster Klebstoffauftrag (16) entsteht. Der Klebstoff wird anschließend zumindest teilweise ausgehärtet. Es folgt ein Bereitstellen einer Elektrodeneinheit (20) und ein Auflegen der Elektrodeneinheit (20) auf die erste Separatorfolie (12), wobei die Elektrodeneinheit (20) eine erste Aktivmaterialschicht (22), ein Stromableiter (24) und eine zweite Aktivmaterialschicht (26)umfasst. Die Elektrodeneinheit (20) wird derart auf die erste Separtorfolie (12) aufgelegt, dass die erste Aktivmaterialschicht (22) direkt an die erste Separatorfolie angrenzt. Es folgt ein zweites Auftragen des Klebstoffs gemäß einem vorgegebenen zweiten Auftragsmuster, wobei ein zweiter Klebstoffauftrag (18) entsteht, welcher zumindest teilweise auf dem ersten Klebstoffauftrag (16) aufliegt. Der beim zweiten Auftragen aufgetragene Klebstoff wird zumindest teilweise ausgehärtet. Anschließend wird eine zweite Separatorfolie (14) bereitgestellt und auf die freie Seite der Elektrodeneinheit (20) aufgelegt, wobei die zweite Separatorfolie (14) mittels des beim ersten und beim zweiten Auftragen aufgetragenen Klebstoffs mit der ersten Separatorfolie (12) verbunden wird.Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine nach dem Verfahren hergestellte Elektrodenanordnung (10) sowie eine Batteriezelle, welche eine solche Elektrodenanordnung umfasst.A method for producing an electrode arrangement (10) is proposed. The method comprises, in a first step, providing a first separator film (12). Subsequently, a first application of an adhesive takes place according to a predetermined first application pattern on the first separator film (12), wherein a first adhesive application (16) is formed. The adhesive is then at least partially cured. This is followed by providing an electrode unit (20) and placing the electrode unit (20) on the first separator film (12), the electrode unit (20) having a first active material layer (22), a current conductor (24) and a second active material layer (26). includes. The electrode unit (20) is placed on the first Separtorfolie (12) such that the first active material layer (22) directly adjacent to the first Separatorfolie. This is followed by a second application of the adhesive according to a predetermined second application pattern, wherein a second adhesive application (18) is produced, which rests at least partially on the first adhesive application (16). The applied during the second application adhesive is at least partially cured. Subsequently, a second separator film (14) is provided and placed on the free side of the electrode unit (20), wherein the second separator film (14) is connected to the first separator film (12) by means of the adhesive applied during the first and second application. Other aspects The invention relates to an electrode assembly (10) produced by the method and to a battery cell which comprises such an electrode assembly.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung bei dem eine erste Separatorfolie bereitgestellt wird, eine Elektrodeneinheit auf die erste Separatorfolie aufgelegt wird, eine zweite Separatorfolie auf die freie Seite der Elektrodeneinheit aufgelegt wird und die beiden Separatorfolien miteinander mittels eines Klebstoffs oder eines Polymers verbunden werden. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine gemäß diesem Verfahren hergestellte Elektrodenanordnung sowie eine Batteriezelle, welche mindestens eine solche Elektrodenanordnung umfasst.The invention relates to a method for producing an electrode arrangement in which a first separator film is provided, an electrode unit is placed on the first separator film, a second separator film is placed on the free side of the electrode unit and the two separator films are connected to each other by means of an adhesive or a polymer , Further aspects of the invention relate to an electrode arrangement produced according to this method and to a battery cell which comprises at least one such electrode arrangement.
Stand der TechnikState of the art
Elektrische Energie kann unter Verwendung von Batterien gespeichert werden. Dabei wird in der Batterie chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Eine Primärbatterie kann dabei nur einmalig entladen werden. Die Entladung ist irreversibel und die Primärbatterie kann nicht wieder aufgeladen werden. Sekundärbatterien hingegen, welche auch als Akkumulator bezeichnet werden, sind wieder aufladbar. Im Folgenden wird dem allgemeinen Sprachgebrauch folgend der Begriff Batterie sowohl für Primärbatterien als auch für Sekundärbatterien verwendet.Electrical energy can be stored using batteries. In the process, chemical reaction energy is converted into electrical energy in the battery. A primary battery can only be discharged once. The discharge is irreversible and the primary battery can not be recharged. By contrast, secondary batteries, which are also referred to as accumulators, are rechargeable. Hereinafter, in common usage, the term battery is used for both primary batteries and secondary batteries.
Im Stand der Technik sind Lithium-Ionen-Batterien bekannt, welche sich durch eine hohe Energiedichte auszeichnen. Die Lithium-Ionen-Batterie umfasst im Wesentlichen eine Kathode, eine Anode, ein zwischen Anode und Kathode angeordneter Separator und einen Ionen-leitenden Elektrolyten. Der Separator hat dabei die Aufgabe, Anode und Kathode elektrisch voneinander zu trennen, wobei eine Ionenleitung durch den Separator hindurch ermöglicht wird.In the prior art, lithium-ion batteries are known, which are characterized by a high energy density. The lithium-ion battery essentially comprises a cathode, an anode, a separator arranged between the anode and cathode, and an ion-conducting electrolyte. The separator has the task of electrically separating the anode and cathode from each other, with ionic conduction through the separator being made possible.
Aus
Aus
Zur Herstellung von Separatortaschen können zwei Separatorfolien miteinander verklebt werden. Dabei besteht das Problem, dass die Höhe der Klebung ähnlich zu der Höhe der zwischen den beiden Separatorschichten angeordneten Elektrode sein muss. Bei den bekannten Verfahren ist das Verhältnis von Höhe und Breite einer Klebung limitiert, so dass ein vergleichsweise großes Volumen der Batteriezelle von dem Klebstoff eingenommen wird, der keinen aktiven Beitrag zur Energiespeicherung leisten kann.To produce separator pockets, two separator films can be glued together. There is the problem that the height of the bond must be similar to the height of the arranged between the two separator layers electrode. In the known methods, the ratio of height and width of a bond is limited, so that a comparatively large volume of the battery cell is occupied by the adhesive, which can make no active contribution to energy storage.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt das Bereitstellen einer ersten Separatorfolie. Anschließend erfolgt ein erstes Auftragen eines Klebstoffs gemäß einem ersten vorgegebenen Auftragsmuster auf die erste Separatorfolie, wobei ein erster Klebstoffauftrag entsteht. Der Klebstoff wird anschließend zumindest teilweise ausgehärtet. Es folgt ein Bereitstellen einer Elektrodeneinheit und ein Auflegen der Elektrodeneinheit auf die erste Separatorfolie, wobei die Elektrodeneinheit eine erste Aktivmaterialschicht, einen Stromableiter und eine zweite Aktivmaterialschicht umfasst. Die Elektrodeneinheit wird derart auf die erste Separatorfolie aufgelegt, dass die erste Aktivmaterialschicht direkt an die erste Separatorfolie angrenzt. Es folgt ein zweites Auftragen des Klebstoffs gemäß einem vorgegebenen zweiten Auftragsmuster, wobei ein zweiter Klebstoffauftrag entsteht, welcher zumindest teilweise auf dem ersten Klebstoffauftrag aufliegt. Bevorzugt werden das erste Auftragsmuster und das zweite Auftragsmuster identisch gewählt. Der beim zweiten Auftragen aufgetragene Klebstoff wird zumindest teilweise ausgehärtet. Anschließend wird eine zweite Separatorfolie bereitgestellt und auf die freie Seite der Elektrodeneinheit aufgelegt, wobei die zweite Separatorfolie mittels des beim ersten und beim zweiten Auftragen aufgetragenen Klebstoffs mit der ersten Separatorfolie verbunden wird.A method for producing an electrode arrangement is proposed. The method comprises, in a first step, providing a first separator film. Subsequently, a first application of an adhesive takes place according to a first predetermined application pattern on the first Separatorfolie, wherein a first adhesive application is formed. The adhesive is then at least partially cured. This is followed by providing an electrode unit and placing the electrode unit on the first separator film, wherein the electrode unit comprises a first active material layer, a current conductor and a second active material layer. The electrode unit is placed on the first separator film such that the first active material layer directly adjoins the first separator film. This is followed by a second application of the adhesive according to a predetermined second application pattern, wherein a second adhesive application is produced, which rests at least partially on the first adhesive application. Preferably, the first order pattern and the second order pattern are selected identically. The applied during the second application adhesive is at least partially cured. Subsequently, a second separator film is provided and placed on the free side of the electrode unit, wherein the second separator film is connected to the first separator film by means of the adhesive applied during the first and second application.
Eine Dicke des ersten Klebstoffauftrags sowie eine Dicke des zweiten Klebstoffauftrags, jeweils direkt nach dem Auftragen, entsprechen dabei bevorzugt der Dicke der ersten bzw. der zweiten Aktivmaterialschicht der Elektrodeneinheit oder sind bevorzugt ein wenig dicker gewählt. Daher ist es bevorzugt, dass die Dicke des ersten Klebstoffauftrags vor Ausführung der auf das erste Auftragen nachfolgenden Schritte im Bereich von 80 % bis 120 % der Dicke der ersten Aktivmaterialschicht liegt. Ebenso ist es bevorzugt, dass die Dicke des zweiten Klebstoffauftrags vor dem Ausführung der auf das zweite Auftragen nachfolgenden Schritte im Bereich von 80 % bis 120 % der Dicke der zweiten Aktivmaterialschicht liegt. Besonders bevorzugt wird für den ersten Klebstoffauftrag und/oder für den zweiten Klebstoffauftrag eine Dicke im Bereich von 100% bis 120% der Dicke der ersten bzw. zweiten Aktivmaterialschicht gewählt. A thickness of the first adhesive application and a thickness of the second adhesive application, respectively directly after application, preferably correspond to the thickness of the first or the second active material layer of the electrode unit or are preferably selected to be slightly thicker. Therefore, it is preferred that the thickness of the first adhesive application be within the range of 80% to 120% of the thickness of the first active material layer prior to carrying out the steps subsequent to the first application. It is also preferred that the thickness of the second adhesive application be within the range of 80% to 120% of the thickness of the second active material layer prior to the execution of the steps subsequent to the second application. Particularly preferably, a thickness in the range from 100% to 120% of the thickness of the first or second active material layer is selected for the first adhesive application and / or for the second adhesive application.
Das erste Auftragen und/oder das zweite Auftragen des Klebstoffs kann jeweils in Form von einer Lage oder in Form von mehreren Lagen erfolgen. Dabei wird beim Auftragen von mehreren Lagen für jede der Lagen bevorzugt dasselbe Auftragsmuster verwendet, so dass die die einzelnen Lagen eines Klebstoffauftrags übereinanderliegen.The first application and / or the second application of the adhesive can each take place in the form of one layer or in the form of several layers. In this case, when applying a plurality of layers, the same application pattern is preferably used for each of the layers, so that the individual layers of an adhesive application are superimposed on one another.
Falls der Auftrag in Form von mehreren Lagen erfolgt, kann nach dem Auftragen jeder der Lagen ein zumindest teilweise Aushärten der zuvor aufgetragenen Lagen des Klebstoffs erfolgen. Des Weiteren ist es denkbar, ein solches Zwischenaushärten erst dann durchzuführen, wenn zwei oder mehr Lagen aufgetragen wurden. Beispielsweise kann ein solches Zwischenaushärten alle zwei bis fünf Lagen erfolgen.If the application takes place in the form of several layers, after the application of each of the layers, at least partial curing of the previously applied layers of the adhesive can take place. Furthermore, it is conceivable to carry out such intermediate curing only when two or more layers have been applied. For example, such intermediate curing may occur every two to five layers.
Das zum Auftragen des Klebstoffs verwendete Auftragsmuster umfasst bevorzugt eine oder mehrere durchgängige Klebstofflinien. Alternativ oder zusätzlich kann das verwendete Auftragsmuster einzelne Klebstoffpunkte umfassen, welche beispielsweise entlang einer geraden angeordnet sind.The application pattern used to apply the adhesive preferably comprises one or more continuous adhesive lines. Alternatively or additionally, the application pattern used may comprise individual adhesive dots which are arranged, for example, along a straight line.
Durch die eine oder mehrere durchgängige Klebstofflinien und/oder durch die einzelnen Klebstoffpunkte wird auf der ersten Separatorfolie ein äußerer Bereich definiert, der für eine Verbindung zwischen der ersten Separatorfolie und der zweiten Separatorfolie vorgesehen ist. Ein innerer Bereich auf der ersten Separatorfolie dient dem Auflegen der Elektrodeneinheit und bleibt frei von Klebstoff. Der innere Bereich ist bevorzugt zusammenhängend ausgeführt. Der innere Bereich kann beispielsweise rechteckförmig ausgeführt sein, wobei der äußere Bereich den inneren Bereich zumindest teilweise umschließt.By means of the one or more continuous adhesive lines and / or through the individual adhesive dots, an outer region is defined on the first separator film which is provided for a connection between the first separator film and the second separator film. An inner area on the first Separatorfolie serves the laying of the electrode unit and remains free of adhesive. The inner region is preferably designed to be continuous. The inner region may, for example, be rectangular, with the outer region at least partially enclosing the inner region.
Insbesondere dann, wenn die erste Separatorfolie in Form eines Endlosmaterials bereitgestellt wird, ist der innere Bereich bevorzugt als ein zusammenhängender streifenförmiger Bereich auf der die erste Separatorfolie darstellende Materialbahn definiert. Der äußere Bereich kann dabei insbesondere nicht zusammenhängend ausgestaltet sein und in Form von zwei Streifen ausgeführt sein, die jeweils an eine Seite des inneren Bereichs angrenzen, so dass entlang der Breite der Materialbahn gesehen ein erster äußerer Bereich, der innere Bereich und ein zweiter äußerer Bereich angeordnet sind. In dieser Ausführungsform können sowohl im ersten als auch im zweiten äußeren Bereich jeweils eine oder mehrere durchgehende Klebstofflinien aufgetragen werden, wobei sich die Klebstofflinien entlang einer Transportrichtung der Materialbahn erstrecken, wobei jeweils der erste sowie der zweite äußere Bereich jeweils mindestens eine durchgängige Klebstofflinie umfassen. Im Fall eines Auftragsmusters, welches einzelne Klebstoffpunkte umfasst, können diese Klebstoffpunkte insbesondere entlang einer Linie angeordnet sein, wobei diese Linie sich bevorzugt in Transportrichtung der Materialbahn erstreckt. Dabei umfassen jeweils der erste sowie der zweite äußere Bereich jeweils zumindest eine Linie, entlang der einzelne Klebstoffpunkte aufgetragen werden.In particular, when the first separator film is provided in the form of a continuous material, the inner region is preferably defined as a contiguous strip-shaped region on the material web representing the first separator film. In particular, the outer region can be designed to be discontinuous and designed in the form of two strips, each of which adjoins one side of the inner region, such that along the width of the material web a first outer region, the inner region and a second outer region are arranged. In this embodiment, one or more continuous adhesive lines can be applied in both the first and the second outer region, wherein the adhesive lines extend along a transport direction of the material web, wherein in each case the first and the second outer region each comprise at least one continuous adhesive line. In the case of an application pattern which comprises individual adhesive dots, these adhesive dots can be arranged in particular along a line, this line preferably extending in the transport direction of the material web. In each case, the first and the second outer region each comprise at least one line along which individual adhesive dots are applied.
Die eine oder mehrere durchgängige Klebstofflinie weist bevorzugt eine Dicke auf, welche im Bereich von 10 µm bis 400 µm liegt. Ein Verhältnis von Breite zu Dicke beträgt dabei bevorzugt im Bereich von 0,5 : 1 bis 2 : 1.The one or more continuous adhesive line preferably has a thickness which is in the range of 10 μm to 400 μm. A ratio of width to thickness is preferably in the range of 0.5: 1 to 2: 1.
Die Dicke des Klebstoffs wird dabei entlang einer Richtung angegeben, die senkrecht zur Fläche der ersten Separatorfolie verläuft und der Stapelrichtung bei der Herstellung der Elektrodenanordnung entspricht. Die Breite einer durchgängigen Klebstofflinie wird dabei entlang einer Richtung angegeben, die senkrecht zur Dicke und senkrecht zur Richtung der Linie ist, entlang der der Klebstoffauftrag erfolgt.The thickness of the adhesive is in this case indicated along a direction which runs perpendicular to the surface of the first separator film and corresponds to the stacking direction during the production of the electrode arrangement. The width of a continuous adhesive line is indicated along a direction which is perpendicular to the thickness and perpendicular to the direction of the line along which the adhesive is applied.
Bei einem Auftragen des Klebstoffs in Form von einzelnen Klebstoffpunkten weisen die Klebstoffpunkte bevorzugt eine Dicke auf, welche im Bereich von 10 µm bis 400 µm liegt. Ein Durchmesser eines solchen Klebstoffpunkts beträgt bevorzugt im Bereich von 10 µm bis 400 µm. Der Durchmesser eines Klebstoffpunkts ist dabei auf eine Ebene bezogen, die der Ebene der ersten Separatorfolie entspricht. Ein Verhältnis von Durchmesser zu Dicke liegt dabei bevorzugt im Bereich von 0,5 : 1 bis 2 : 1.When the adhesive is applied in the form of individual adhesive dots, the adhesive dots preferably have a thickness which is in the range from 10 μm to 400 μm. A diameter of such an adhesive point is preferably in the range of 10 μm to 400 μm. The diameter of an adhesive point is related to a plane corresponding to the plane of the first separator film. A ratio of diameter to thickness is preferably in the range of 0.5: 1 to 2: 1.
Das Muster, welches den Klebstoffauftrag in Form von einzelnen Klebstoffpunkten oder durchgehenden Klebstofflinien kennzeichnet, wird als Auftragsmuster bezeichnet.The pattern that marks the application of adhesive in the form of individual dots of glue or continuous lines of glue is referred to as a job pattern.
Die Elektrodeneinheit umfasst bevorzugt des Weiteren ein mit dem Stromableiter verbundenes Ableiterfähnchen, welches nach dem Auflegen auf die erste Separatorfolie über die erste Separatorfolie hinausragt und gegebenenfalls zumindest teilweise auf dem durch den ersten Klebstoffauftrag aufgetragenen Klebstoff aufliegt. Über das Ableiterfähnchen ist eine elektrische Kontaktierung der Elektrodeneinheit möglich.The electrode unit preferably further comprises a Ableitfähnchen connected to the current collector, which after being placed on the the first separator film protrudes beyond the first separator film and optionally at least partially rests on the adhesive applied by the first adhesive application. About the Ableitfähnchen an electrical contacting of the electrode unit is possible.
Bevorzugt erfolgt nach dem Auflegen der zweiten Separatorfolie in einem weiteren Schritt ein weiteres Aushärten des zuvor aufgetragenen Klebstoffs. Bei diesem weiteren Aushärten wird der in den vorherigen Schritten aufgetragene Klebstoff bevorzugt vollständig ausgehärtet.Preferably, after the second separator film has been applied, further curing of the previously applied adhesive takes place in a further step. In this further curing, the adhesive applied in the previous steps is preferably completely cured.
Der aufgetragene Klebstoff ist bevorzugt ein Polymer.The applied adhesive is preferably a polymer.
Bei dem aufgetragenen Klebstoff handelt es sich bevorzugt um einen mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere UV-Strahlung, härtbaren Klebstoff. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass das zumindest teilweise Härten des Klebstoffs sowie das weitere Aushärten durch Einwirkung von UV-Strahlung erfolgt. UV-Strahlung ist dabei insbesondere elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 200 nm bis 380 nm. Beispiele für durch UV-Strahlung härtende Klebstoffe sind Acrylate wie beispielsweise Vitralit® 4731-VT von Panacol oder AD491 von Delo. Ein weiteres Beispiel sind lichthärtende Epoxy Klebstoffe wie zum Beispiel KL6006 von der Firma Best.The applied adhesive is preferably a by means of electromagnetic radiation, in particular UV radiation curable adhesive. Accordingly, it is preferred that the at least partial curing of the adhesive and the further curing takes place by the action of UV radiation. UV radiation is in particular electromagnetic radiation having a wavelength in the range from about 200 nm to 380 nm. Examples of adhesives curing by UV radiation are acrylates such as, for example, Vitralit® 4731-VT from Panacol or AD491 from Delo. Another example is light-curing epoxy adhesives such as KL6006 from Best.
Alternativ hierzu kann beispielsweise ein Klebstoff verwendet werden, der durch Einwirkung von Wärme ausgehärtet wird. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass das zumindest teilweise Härten und/oder das weitere Härten mittels Einwirkung von Wärme erfolgt.Alternatively, for example, an adhesive may be used which is cured by the action of heat. In this case, it is preferred that at least partial curing and / or further curing be effected by the action of heat.
Es können Schmelzklebstoffe verwendet werden, welche in einem erwärmten Zustand verarbeitet werden und durch Abkühlen aushärten. Beispiele hierfür sind Schmelzklebstoffe, die auf Olefinen wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) basieren. Ein geeigneter Schmelzklebstoff ist beispielsweise Technomelt® AS4206 von Henkel.It can be used hot melt adhesives, which are processed in a heated state and cure by cooling. Examples include hot melt adhesives based on olefins such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP). A suitable hotmelt adhesive is, for example, Technomelt® AS4206 from Henkel.
Das Auftragen des Klebstoffs erfolgt im Fall eines Auftrags in Form von durchgehenden Klebstofflinien, bevorzugt mit einem Dispenser, aus dem kontinuierlich Klebstoff abgegeben wird. Im Fall eines Auftrags in Form von einzelnen Klebstoffpunkten wird bevorzugt ein Auftragskopf verwendet, der auf Anforderung gezielt einzelne Klebstofftropfen abgeben kann. Derartige Auftragsköpfe werden auch als Jet-Dispenser oder Jetter bezeichnet.The application of the adhesive takes place in the case of a job in the form of continuous lines of adhesive, preferably with a dispenser, is continuously discharged from the adhesive. In the case of a job in the form of individual adhesive dots, an application head is preferably used, which can deliver specific individual drops of adhesive on request. Such applicator heads are also referred to as jet dispensers or jetties.
Bei der zur Herstellung der Elektrodenanordnung verwendeten Elektrodeneinheit handelt es sich bevorzugt um eine Elektrodeneinheit, welche zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie geeignet ist. Dabei handelt es sich insbesondere um eine als Kathode oder als Anode einer Lithium-Ionen-Batterie geeignete Elektrodeneinheit.The electrode unit used for producing the electrode arrangement is preferably an electrode unit which is suitable for producing a lithium-ion battery. This is in particular a suitable as a cathode or anode of a lithium-ion battery electrode unit.
Eine als Anode ausgestaltete Elektrodeneinheit umfasst bevorzugt einen Stromableiter, der beispielsweise aus Kupfer besteht, sowie ein Lithium enthaltendes Aktivmaterial für die erste Aktivmaterialschicht und/oder für die zweite Aktivmaterialschicht. Beispielsweise wird metallisches Lithium als Aktivmaterial der Anode verwendet. Weitere Beispiele für geeignete Aktivmaterialien der Anode sind neben reinem Lithium auch Graphit, Silizium und modifiziertes Graphit.An electrode unit designed as an anode preferably comprises a current conductor, which consists for example of copper, and a lithium-containing active material for the first active material layer and / or for the second active material layer. For example, metallic lithium is used as the active material of the anode. Further examples of suitable active materials of the anode are, besides pure lithium, also graphite, silicon and modified graphite.
Im Fall einer Kathode zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie ist der Stromableiter bevorzugt aus Aluminium gefertigt und die erste Aktivmaterialschicht und/oder die zweite Aktivmaterialschicht umfassen ein Kathodenmaterial, welches Lithium-Ionen reversibel ein- und wieder auslagern kann. Beispiele für geeignete Aktivmaterialien der Kathode sind insbesondere Metalloxide wie z. B NCA (Nickel Cobalt Aluminium Oxid) NCM (Nickel Cobalt Mangan Oxid).In the case of a cathode for producing a lithium-ion battery, the current conductor is preferably made of aluminum, and the first active material layer and / or the second active material layer comprise a cathode material which can reversibly intercalate and recharge lithium ions. Examples of suitable active materials of the cathode are in particular metal oxides such. B NCA (Nickel Cobalt Aluminum Oxide) NCM (Nickel Cobalt Manganese Oxide).
Die Separatorfolie ist so ausgeführt, dass diese elektrisch isolierend wirkt, jedoch für Lithium-Ionen durchlässig ist. Geeignete Materialien für die Separatorfolie umfassen beispielsweise poröse Kunststofffolien, beispielsweise auf Basis von Polyethylen oder Polypropylen. Ebenfalls geeignet sind insbesondere mit einer Keramik beschichtete Polyethylen- oder Polypropylenfolien.The Separatorfolie is designed so that it acts electrically insulating, but is permeable to lithium ions. Suitable materials for the separator film include, for example, porous plastic films, for example based on polyethylene or polypropylene. Also suitable are, in particular, polyethylene-coated or polypropylene-coated ceramic films.
Als Elektrolyt kann beispielsweise ein Flüssig-Elektrolyt eingesetzt werden, welcher beispielsweise das Lithium-Leitsalz Lithium-Hexa-Fluorophosphat (LiPF6) in organischen Lösungsmitteln gelöst enthält.As the electrolyte, for example, a liquid electrolyte can be used, which contains, for example, the lithium-conducting salt lithium hexa-fluorophosphate (LiPF6) dissolved in organic solvents.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Elektrodenanordnung, welche mit einem der beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Je nach Auswahl der Elektrodeneinheit stellt die Elektrodenanordnung eine in einer Separatortasche aufgenommene Kathode bzw. Anode für eine Batteriezelle dar. Dementsprechend kann die Elektrodenanordnung zu einem galvanischen Element kombiniert werden, indem eine Elektrodenanordnung, welche als Elektrodeneinheit eine Kathode enthält, mit einer Anode sowie einem Elektrolyt kombiniert wird und in einem Gehäuse aufgenommen wird. Ebenso ist es möglich, eine Elektrodenanordnung, welche als Elektrodeneinheit eine Anode enthält, mit einer Kathode und einem Elektrolyten zu kombinieren und in einem Gehäuse aufzunehmen. Des Weiteren können Elektrodenstapel gefertigt werden, bei denen sich jeweils eine der beschriebenen Elektrodenanordnungen, die eine zwischen den Separatorfolien eingeschlossene Elektrodeneinheit aufweisen, abwechselnd mit jeweils einer weiteren Elektrode gestapelt werden. Dabei ist in einer Ausführungsvariante die zwischen den beiden Separatorfolien angeordnete Elektrodeneinheit als Kathode ausgeführt, so dass die Elektrodenanordnung jeweils alternierend mit Anoden gestapelt wird und in einer weiteren Ausführungsvariante ist jeweils zwischen zwei Separatorfolien eine Anode als Elektrodeneinheit aufgenommen, so dass die Elektrodenanordnung alternierend mit einer Kathode gestapelt wird.The invention further relates to an electrode assembly which has been produced by one of the described methods. Depending on the selection of the electrode unit, the electrode arrangement is a cathode or anode accommodated in a separator pocket for a battery cell. Accordingly, the electrode arrangement can be combined to form a galvanic element by an electrode arrangement which contains a cathode as an electrode unit with an anode and an electrolyte combined and housed in a housing. It is also possible to combine an electrode arrangement, which contains an anode as the electrode unit, with a cathode and an electrolyte and to receive them in a housing. Furthermore, electrode stacks can be produced in which in each case one of the described electrode arrangements, which encloses an interposed between the separator foils Have electrode unit, alternately stacked with a respective further electrode. In one embodiment, the electrode unit arranged between the two separator foils is designed as a cathode, so that the electrode arrangement is stacked alternately with anodes, and in a further embodiment, an anode is accommodated as an electrode unit between two separator foils, so that the electrode arrangement is arranged alternately with a cathode is stacked.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriezelle, welche zumindest eine der beschriebenen Elektrodenanordnung umfasst. Diese Elektrodenanordnung kann insbesondere mit weiteren Elektroden sowie mit einem Elektrolyten kombiniert werden.Another aspect of the invention relates to a battery cell, which comprises at least one of the described electrode arrangement. This electrode arrangement can in particular be combined with further electrodes as well as with an electrolyte.
Die Batteriezellen können insbesondere in Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen, insbesondere mit Hybridfahrzeugen, oder auch für elektrisch angetriebene Werkzeuge verwendet werden.The battery cells can be used in particular in connection with electric vehicles, in particular with hybrid vehicles, or else for electrically driven tools.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können Elektrodenanordnungen einfach hergestellt werden, bei denen eine Elektrodeneinheit zwischen zwei Separatorfolien eingeschlossen ist. Die beiden Separatorfolien werden dabei miteinander verklebt, so dass eine Separatortasche entsteht. Für eine optimale Separatortasche sollte dabei der für die Verbindung der beiden Separatorfolien verwendete Klebstoff derart aufgetragen sein, dass die Dicke des Klebstoffs einer Dicke der zwischen den beiden Separatorfolien aufgenommenen Elektrodeneinheit im Wesentlichen entspricht. Bei einem üblichen Klebstoffauftrag, beispielsweise in Form einer durchgehenden Klebstofflinie bzw. Klebstoffraupe oder in Form von Klebstofftropfen ist dabei die Klebstofflinie bzw. Raupe mindestens so breit wie die Klebstofflinie bzw. Raupe dick ist. Bei dem üblichen Auftrag von Klebstofftropfen gilt entsprechend, dass ein Durchmesser des Klebstofftropfens mindestens so groß ist wie dessen Dicke. Zum Erreichen der gewünschten Dicke des Klebstoffauftrags wird somit vergleichsweise viel Raum einer Batteriezelle durch den Klebstoff eingenommen. Da der Klebstoff nicht aktiv zu einer Energiespeicherung beiträgt, verringert sich hierdurch die Leistungsdichte der Batteriezelle.With the proposed method, electrode arrangements can be easily made in which an electrode unit is enclosed between two separator sheets. The two Separatorfolien be glued together, so that a separator pocket is created. For an optimal separator pocket, the adhesive used for the connection of the two separator foils should be applied in such a way that the thickness of the adhesive essentially corresponds to a thickness of the electrode unit accommodated between the two separator foils. In a conventional adhesive application, for example in the form of a continuous adhesive line or adhesive bead or in the form of drops of adhesive, the adhesive line or bead is at least as wide as the adhesive line or bead is thick. In the usual order of adhesive drops applies accordingly that a diameter of the adhesive drop is at least as large as its thickness. To achieve the desired thickness of the adhesive application thus comparatively much space of a battery cell is occupied by the adhesive. As the adhesive does not actively contribute to energy storage, this reduces the power density of the battery cell.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren hingegen ist vorgesehen, den Klebstoff zumindest in zwei Schritten aufzutragen, wobei zwischen dem ersten Auftragen und dem zweiten Auftragen der Klebstoff zumindest teilweise ausgehärtet wird und beim zweiten Auftragen des Klebstoffs zumindest teilweise auf dem ersten Klebstoffauftrag liegt. Somit ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest durch das erste und das zweite Auftragen insgesamt mindestens zwei Lagen des Klebstoffs aufgetragen werden, wobei bevorzugt jeweils dasselbe Auftragsmuster verwendet wird und die mindestens zwei Klebstofflagen zumindest teilweise aufeinanderliegen. Im bevorzugten Idealfall liegen die jeweiligen einzelnen Lagen des Klebstoffs ohne einen Versatz übereinander. Da vor dem zweiten Auftragen ein zumindest teilweises Aushärten des ersten Klebstoffauftrags vorgenommen wurde, findet kein Verlaufen des ersten Klebstoffauftrags statt, der erste Klebstoffauftrag ist formstabil. Wird nun bei dem ersten Klebstoffauftrag und beim zweiten Klebstoffauftrag jeweils eine Lage Klebstoff aufgetragen, so werden insgesamt zwei Klebstofflagen aufgetragen und es kann auf diese Weise eine Gesamtdicke des Klebstoffs erreicht werden, die wesentlich stärker ist, als die Breite einer durchgehenden Klebstofflinie bzw. als der Durchmesser eines Klebstoffpunktes. Beispielsweise kann bei insgesamt zwei Lagen ein Verhältnis von Dicke zu Breite bzw. Dicke zu Durchmesser von 2 : 1 erreicht werden.In the proposed method, however, is provided to apply the adhesive at least in two steps, wherein between the first application and the second application of the adhesive is at least partially cured and at the second application of the adhesive is at least partially on the first adhesive application. Thus, it is provided according to the invention that at least two layers of the adhesive are applied at least by the first and the second application, wherein in each case preferably the same application pattern is used and the at least two layers of adhesive at least partially rest on one another. In the preferred ideal case, the respective individual layers of the adhesive are superposed without an offset. Since an at least partial curing of the first adhesive application was carried out before the second application, no bleeding of the first adhesive application takes place, the first application of adhesive is dimensionally stable. If a layer of adhesive is now applied in each case during the first application of adhesive and during the second application of adhesive, then a total of two layers of adhesive are applied and in this way a total thickness of the adhesive can be achieved which is substantially greater than the width of a continuous line of adhesive or Diameter of an adhesive point. For example, with a total of two layers, a ratio of thickness to width or thickness to diameter of 2: 1 can be achieved.
In weiteren bevorzugten Varianten des Verfahrens werden beim ersten Auftragen und/oder beim zweiten Auftragen jeweils mehrere Lagen des Klebststoffs aufgetragen. Auf diese Weise kann das Verhältnis zwischen Dicke und Breite bzw. Dicke und Durchmesser noch weiter verbessert werden, so dass ein Klebstoffauftrag mit großer Dicke bei verhältnismäßig geringer Breite bzw. Durchmesser erzielt wird. Beispielsweise liegen erzielbare Dicken im Bereich von 10 µm bis 400 µm bei Breiten bzw. Durchmesser von 10 µm bis 400 µm. Die erzielbaren Verhältnisse von Dicke zu Breite einer Klebstofflinie bzw. Dicke zum Durchmesser eines Klebstoffpunktes liegen beispielsweise im Bereich von 0,5 : 1 bis 10 : 1.In further preferred variants of the method, in each case several layers of the adhesive are applied during the first application and / or during the second application. In this way, the ratio between thickness and width or thickness and diameter can be further improved so that an adhesive application with a large thickness is achieved with a relatively small width or diameter. For example, attainable thicknesses are in the range of 10 .mu.m to 400 .mu.m in widths and diameters of 10 .mu.m to 400 .mu.m. The achievable ratios of thickness to width of an adhesive line or thickness to the diameter of an adhesive point are for example in the range of 0.5: 1 to 10: 1.
Beim Vergleich zu dem üblichen Klebstoffauftrag, bei dem die gesamte Klebstoffmenge als eine einzige Lage aufgetragen wird, kann die für einen Klebstoffauftrag bestimmter Dicke benötigte Menge an Klebstoff deutlich reduziert werden, wodurch in einer Batteriezelle mehr Raum für Aktivmaterial zur Verfügung steht und damit vorteilhafterweise die Leistungsdichte einer entsprechenden Batteriezelle verbessert wird.Compared to the usual adhesive application, in which the entire amount of adhesive is applied as a single layer, the amount of adhesive required for an adhesive application thickness can be significantly reduced, whereby more space for active material is available in a battery cell and thus advantageously the power density a corresponding battery cell is improved.
In den Ausführungsformen, in denen das jeweilige Auftragsmuster für den Klebstoff mindestens eine durchgängige Klebstofflinie umfasst, kann mithilfe des Klebstoffs auch eine Versiegelung der Elektrodeneinheit an den Kanten der Elektrodeneinheit erfolgen. Der aufgetragene Klebstoff dient hierbei als Dichtmaterial, welches ansonsten separat an den Kanten der Elektrodeneinheit angeordnet werden müsste. Durch das Abdichten der Elektrodeneinheit an den Kanten kann das Verhalten einer Batteriezelle, welche die Elektrodenanordnung enthält, verbessert werden, da dadurch beispielsweise das Lithium-Plating, bei dem sich metallisches Lithium oberhalb des Aktivmaterials der Elektrode anordnet, verhindert oder zumindest reduziert werden.In the embodiments in which the respective application pattern for the adhesive comprises at least one continuous adhesive line, the adhesive can also be used to seal the electrode unit at the edges of the electrode unit. The applied adhesive serves as a sealing material, which otherwise would have to be arranged separately on the edges of the electrode unit. By sealing the electrode unit at the edges, the behavior of a battery cell, which contains the electrode assembly, can be improved, as this, for example, the Lithium plating, in which metallic lithium is deposited above the active material of the electrode, is prevented or at least reduced.
Des Weiteren kann das Vorsehen einer Klebenaht in Form einer durchgängigen Klebstofflinie eine Wanderung von Partikeln durch die Zelle vermindern, wodurch die Zuverlässigkeit einer Batteriezelle weiter gesteigert wird. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass die Klebenaht dem der Elektrodenanordnung zusätzliche Stabilität verleiht.Furthermore, the provision of an adhesive line continuous adhesive line can reduce migration of particles through the cell, thereby further increasing the reliability of a battery cell. Another advantage can be seen in the fact that the adhesive seam gives the electrode assembly additional stability.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Es zeigen:
-
1 eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsvariante des Verfahren, -
2 eine schematische Darstellung von oben der ersten Ausführungsvariante des Verfahrens, -
3 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der Elektrodenanordnung, -
4 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Elektrodenanordnung, -
5 eine schematische perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante des Verfahren und -
6 eine schematische Darstellung von oben der zweiten Ausführungsvariante des Verfahrens.
-
1 a schematic perspective view of a first embodiment of the method, -
2 1 is a schematic representation from above of the first embodiment of the method, -
3 a schematic sectional view of a first embodiment of the electrode assembly, -
4 a schematic sectional view of a second embodiment of the electrode assembly, -
5 a schematic perspective view of a second embodiment of the method and -
6 a schematic representation of the top of the second embodiment of the method.
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche Komponenten und Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same components and elements are designated by the same reference numerals, wherein a repeated description of these components or elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.
In
Zur Durchführung eines ersten Klebstoffauftrags
In Transportrichtung
Abgesehen von dem überstehenden Ableiterfähnchen
In Transportrichtung
In Transportrichtung
Auch nach dem teilweisen Aushärten der zweiten Lichtquellen
In Transportrichtung
Auch die zweite Separatorfolie
Die so erhaltene Elektrodenanordnung
Optional kann im Anschluss an das Auflegen der zweiten Separatorfolie
In weiteren Ausführungsformen, bei denen anstelle eines mittels UV-Licht aushärtenden Klebstoff ein mittels Wärmeeinwirkung aushärtender Klebstoff eingesetzt wird, kann anstelle der Lichtquellen
Die aufgetragenen Klebstofflinien
Der Darstellung in
In dem sichtbaren ersten äußeren Bereich
Das Ableiterfähnchen
Auf der dem ersten Klebstoffauftrag
Die zweite Separatorfolie
Im Vergleich zu dem mit Bezug zur
An das Auflegen der Elektrodeneinheit
Gegebenenfalls schließt sich ein vollständiges Aushärten des Klebstoffs unter Verwendung von dritten Lichtquellen
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.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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| R163 | Identified publications notified | ||
| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: ROBERT BOSCH GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: LITHIUM ENERGY AND POWER GMBH & CO. KG, 70469 STUTTGART, DE |
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| R082 | Change of representative |