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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle und eine elektrochemische Zelle
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Stand der Technik
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Zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle beziehungsweise Batterie oder Akkumulator, können die Komponenten der Zelle schichtweise aufeinander gestapelt werden. Ebenso können die Komponenten der Zelle gewickelt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle und eine elektrochemische Zelle gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Lithium-Ionen-Zellen können in gewickelter sowie in gestapelter Form ausgeführt werden. Standard-Lithium-Ionen-Zellen sind grundsätzlich aufgebaut aus Anodenblättern, Kathodenblättern, Separatorenblättern, Ableitern/Terminals, Flüssigelektrolyt, Isolationsfolien für Stacks und einem Gehäuse. Die Anodenblätter bestehen beispielsweise aus Graphit, Leitruß und Polymer-Binder auf einer Kupfer (Cu) Stromableiterfolie. Die Kathodenblätter bestehen beispielsweise aus Lithium Cobalt Nickel Mangan Sauerstoff (NCM), Leitruß, Leitgraphit und Polymer-Binder auf einer Aluminium (Al) Stromableiterfolie. Die Separatorenblätter bestehen beispielsweise aus porösen Polyolefin-Trägern mit/ohne Keramikbeschichtung. Die Ableiter/Terminals für die positive Elektrode (Kathode) bestehen beispielsweise aus Al-Blechen, die angeschweißt an die Al-Stromableiterfolien sind. Die Ableiter/Terminals für die negative Elektrode (Anode), bestehen beispielsweise aus Nickel (Ni) beschichteten Cu-Blechen, die angeschweißt an die Cu-Stromableiterfolien sind. Der Flüssigelektrolyt ist beispielsweise 1M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF 6) in Ethylcarbonat/Dimethylcarbonat (EC/DMC) 1:1 gelöst. Die Isolationsfolien für Stacks bestehen beispielsweise aus Polyethylen (PE) Folien. Das Gehäuse besteht beispielsweise aus tiefgezogenen und verschweißten oder verklebten Metall-Gehäusen (hardcase).
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Die Materialstärken/Dicken der einzelnen Bestandteile betragen typischerweise bei einem Anodenblatt ca. 120-220µm (doppelseitig beschichtete 9-12µm-Cu-Folie), bei einem Kathodenblatt ca. 120-200µm (doppelseitig beschichtete 15-20µm-Al-Folie), bei einem Separatorblatt ca. 16-20µm (13-16µm Polyolefin + 3-4µm Keramikschicht), bei den Ableitern/Terminals für die positive und negative Elektrode ca. 100-200µm, bei einer Isolationsfolie ca. 50-200µm und das Gehäuse ca. 1mm. Ersichtlicherweise tragen elektrochemisch inaktive Komponenten wie Ableiterfolien, Separatoren, Ableiter/Terminals, Isolationsfolien und Gehäuse maßgeblich zur Reduzierung der volumetrischen und spezifischen Energie auf Zell-Level bei, was grundsätzlich unerwünscht ist. In einer gestapelten Li-Ionen-Zelle werden oft bis zu 40 Anodenblätter (doppelseitig mit Graphit beschichtet), 40 Kathodenblätter (doppelseitig mit NCM beschichtet), 80 Separatorenblätter, ein Ableiter/Terminal für die positive Elektrode, ein Ableiter/Terminal für die negative Elektrode, mehrere Milliliter Flüssigelektrolyt, abhängig von einer Porosität der Elektroden, mindestens zwei Isolationsfolien für Stacks und ein Metall-Gehäuse eingesetzt. Bis auf die Graphit-/NCM-Aktivmaterialbeschichtungen tragen die restlichen Komponenten generell nicht zum elektrochemischen Prozess und somit nicht zur spezifischen und volumetrischen Energie der Zelle bei.
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Bei einer Beispielrechnung für die volumetrische Energie bei fixiertem Zell-Format/fixierten Zell-Grundmaßen werden folgende Annahmen getroffen. Die Grundmaße der Elektrodenblätter, der Separatoren und des Gehäuses sind ähnlich und ein Einfluss auf die volumetrische Energie kann in erster Näherung vernachlässigt werden. Somit ist nur die Dicke relevant. Die spezifische Energie ist abhängig von den Dichten der eingesetzten elektrochemisch aktiven/inaktiven Materialien und wird daher hier nicht betrachtet.
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Die typische Gesamtdicke eines Zell-Querschnitts ausgehend von dicken Elektrodenschichten ergibt sich für die Anoden bei 0,22mm x 40 zu 8,8mm. Für die Kathoden bei 0,2mm x 40 zu 8mm. Für die Separatoren bei 0,02mm x 80 zu 1,6mm. Für die Isolationsfolien für Stacks bei 0,2mm x 2 zu 0,4mm. Ein Void-Volumen für den Elektrolyt ist nicht als Dicke darstellbar. In Summe ergeben sich 18,8mm, was 100% entspricht. Davon entfallen 3,28mm auf inaktive Komponenten, was 17% entspricht.
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Damit gehen ca. 17% des Zell-Volumens aufgrund inaktiver Komponenten verloren. Durch eine geeignete Wahl der Elektrodenzusammensetzung bezüglich der Gewichtsprozent-Anteile von Aktivmaterial, Leitruß, Leitgraphit und Polymerbinder oder über eine geringe Porosität, durch Einsatz von dünneren Ableiter- und Separatorenfolien, sowie durch geschickte konstruktive Maßnahmen kann dieser Wert evtl. noch leicht reduziert werden.
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Herkömmlich erschweren hohe Aktivanteile die Schnellladefähigkeit, da Schnelles laden und entladen schwieriger wird. Der flüssige Elektrolyt muss in die komplexe Porenstruktur der Elektroden und Separatoren eindringen, was eine langwierige Benetzung der Zelle im Produktionsprozess nach sich zieht, da die vielen Al- und Cu-Ableiterfolien die Elektrolytpenetration verlangsamen. Die Elektroden- und Separatorenlagen müssen exakt übereinander positioniert werden, um die Funktionalität und Sicherheit der Zelle zu gewährleisten, was einen hohen maschinellen Aufwand erforderlich macht.
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, einen Anteil an aktiven Materialien einer Zelle zu vergrößern, um eine volumetrische beziehungsweise spezifische Energiedichte zu erhöhen. Viele bei einer gestapelten oder gewickelten Zelle erforderliche Komponenten können entfallen. Dadurch kann die Zelle vereinfacht und kostengünstig hergestellt werden.
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Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle vorgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem Schritt des Anodengießens eine elektrisch leitende erste Halbschale der Zelle mit einem gießfähigen Anodenschlicker ausgegossen und ausgehärtet wird, um eine elektrisch leitend mit der ersten Halbschale verbundene Anode der Zelle herzustellen, in einem Schritt des Kathodengießens eine elektrisch leitende zweite Halbschale der Zelle mit einem gießfähigen Kathodenschlicker ausgegossen und ausgehärtet wird, um eine elektrisch leitend mit der zweiten Halbschale verbundene Kathode der Zelle herzustellen, in einem Schritt des Separatorgießens ein gießfähiger Separatorenschlicker auf die Anode oder die Kathode gegossen und ausgehärtet wird, um einen die Anode und die Kathode separierenden Separator herzustellen, in einem Schritt des Zusammenfügens die erste Halbschale und die zweite Halbschale zu einem Gehäuse der Zelle zusammengefügt werden, wobei die erste Halbschale und die zweite Halbschale elektrisch voneinander isoliert werden und die Anode und die Kathode durch den Separator getrennt sind, und in einem Schritt des Befüllens das Gehäuse mit einem Elektrolyt befüllt wird.
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Weiterhin wird eine Elektrochemische Zelle vorgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein elektrisch leitendes Gehäuse der Zelle aus einer ersten Halbschale und einer davon elektrisch isolierten zweiten Halbschale besteht, und eine elektrisch leitend mit der ersten Halbschale verbundene, in die erste Halbschale gegossene und ausgehärtete Anode, eine elektrisch leitend mit der zweiten Halbschale verbundene, in die zweite Halbschale gegossene und ausgehärtete Kathode und einen auf die Anode und/oder Kathode gegossenen und ausgehärteten Separator sowie einen Elektrolyt dicht umschließt.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Unter einem Schlicker kann ein Gemisch aus einem flüchtigen Lösungsmittel und nichtflüchtigen Bestandteilen verstanden werden. Der Schlicker kann eine flüssige oder pastöse Konsistenz aufweisen. Verschiedene Schlicker werden zum Herstellen der Komponenten einer herkömmlichen Zelle in jedem Fall benötigt, um die Beschichtungen der Komponenten zu fertigen. Die Schlicker können wie bei dem hier vorgestellten Ansatz jedoch auch in dickere Schichten gegossen werden. Eine Zellchemie der gegossenen Zelle kann analog zu der Zellchemie einer herkömmlichen Zelle sein. Gießfähiger Anodenschlicker kann die gleichen aktiven Bestandteile enthalten, wie herkömmlicher Anodenschlicker. Gießfähiger Kathodenschlicker kann die gleichen aktiven Bestandteile enthalten, wie herkömmlicher Kathodenschlicker. Auch der Separator kann gegossen werden. Die Gießfähigkeit kann durch Zugaben von flüchtigen Verdünnungsmedien beziehungsweise Lösungsmitteln eingestellt werden. Die Verdünnungsmedien beziehungsweise Lösungsmitteln werden beim Aushärten beziehungsweise trocknen entfernt. Die Verdünnungsmedien beziehungsweise Lösungsmitteln können eine Porosität der Anode, Kathode und/oder des Separators beeinflussen. Der Elektrolyt kann die gleichen aktiven Bestandteile enthalten, wie herkömmlicher Elektrolyt. Der Elektrolyt kann in die beim Aushärten entstehenden Poren der Anode, Kathode und/oder des Separators eindringen. Elektrisch leitende Halbschalen eines Gehäuses der Zelle können als Behälter zum Eingießen der jeweiligen Schlicker dienen. Beim Gießen kann eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem jeweiligen Schlicker und der jeweiligen Halbschale entstehen. Die Halbschalen können die elektrischen Anschlüsse der Zelle ausbilden. Die Halbschalen können beispielsweise aus Metallblech bestehen. Die Halbschalen können durch einen dazwischen angeordneten Isolator voneinander elektrisch isoliert werden.
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In den Schritten des Anodengießens, Kathodengießens und/oder Separatorgießens kann Wärme zum Aushärten der Anode, der Kathode und/oder des Separators verwendet werden. Beispielsweise können Heizplatten, Öfen, IR-Strahler oder Ähnliches verwendet werden, um das Verdünnungsmedium beziehungsweise das Lösungsmittel aus dem jeweiligen Schlicker auszutreiben und den Schlicker in eine feste Form zu bringen. Durch Wärmezufuhr kann das Aushärten beschleunigt werden.
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In den Schritten des Anodengießens, Kathodengießens und/oder Separatorgießens kann eine Presse verwendet werden, um eine Porosität der Anode, der Kathode und/oder des Separators einzustellen. Beispielsweise können Stempelpressen verwendet werden, um die Anode, Kathode und/oder den Separator zu verdichten. Durch das Verdichten kann eine Porenstruktur beeinflusst werden. Weiterhin können insbesondere bei der Anode und/oder Kathode Kapillaren für den Elektrolyt ausgebildet werden.
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In den Schritten des Anodengießens, Kathodengießens und/oder Separatorgießens kann zumindest eine Gussform verwendet werden, um die Anode, die Kathode und/oder den Separator dreidimensional zu formen. Die Anode, Kathode und der Separator können mit zueinander passenden Konturen geformt werden. Durch die Gussformen kann eine Oberfläche zwischen der Anode und dem Separator beziehungsweise zwischen dem Separator und der Kathode vergrößert werden. Allgemein kann eine Oberfläche des Separators vergrößert werden. Durch die vergrößerte Oberfläche kann die Zelle schneller geladen und entladen werden. Gussformen können wiederverwendbar sein.
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Unter Verwendung der Gussform kann in der Anode und/oder der Kathode zumindest ein Reservoir zum Befüllen mit Elektrolyt ausgeformt werden. Ein Reservoir kann ein Hohlraum sein, der beim Befüllen mit dem Elektrolyt gefüllt wird. Von dem Hohlraum aus kann der Elektrolyt in die Anode, Kathode und den Separator fließen. Durch ein Reservoir kann das Befüllen beschleunigt werden. Zusätzlich kann das Reservoir eine Elektrolytreserve für eine verlängerte Lebensdauer der Zelle aufnehmen.
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Unter Verwendung von elektrisch leitenden Partikeln und/oder Nanopartikeln im Anodenschlicker und/oder Kathodenschlicker kann eine elektrische Leitfähigkeit der Anode und/oder Kathode eingestellt werden. Nanopartikel sind sehr kleine Partikel. Der Anodenschlicker kann Kupferpartikel enthalten. Der Kathodenschlicker kann Aluminiumpartikel enthalten. Durch die Partikel oder Nanopartikel kann die Leitfähigkeit erhöht werden. Durch die Zugabe der Partikel kann die Schnelladefähigkeit verbessert werden.
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Im Schritt des Zusammenfügens kann eine umlaufende Nut der ersten Halbschale und/oder der zweiten Halbschale mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt werden, um die Halbschalen elektrisch voneinander zu isolieren. Das Material kann einen Mehrfachnutzen haben. Das Material kann die Halbschalen miteinander verbinden. Das Material kann einen Spalt zwischen den Halbschalen abdichten und das Material kann die Halbschalen elektrisch nichtleitend miteinander verbinden. Das Material kann gegossen beziehungsweise als Paste aufgetragen werden. Das Material kann ein Klebstoff oder Polymer sein. Das Polymer kann spritzgegossen werden. Alternativ kann die Nut mit einem Retainer beklebt werden, der die gleichen Eigenschaften aufweist.
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Der Elektrolyt kann durch ein Elektrolytbefüllloch in der ersten Halbschale und/oder der zweiten Halbschale eingefüllt werden. Das Elektrolytbefüllloch kann anschließend mit einem Befüllstopfen dicht verschlossen werden. Das Elektrolytbefüllloch ist ein Durchgangsloch durch die jeweilige Halbschale. Das Elektrolytbefüllloch kann während des Ausgießens der Halbschale geschlossen oder noch nicht vorhanden sein. Das Elektrolytbefüllloch kann nachträglich in die Halbschale eingebracht werden. Das Elektrolytbefüllloch kann beispielsweise zu dem Reservoir führen. Das Elektrolytbefüllloch kann mit dem Befüllstopfen durch Kleben oder Schweißen geschlossen werden, nachdem die Zelle mit dem Elektrolyt befüllt worden ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen als Verfahren zum Herstellen und als Zelle beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- Die 1 bis 9 zeigen einen Herstellungsablauf zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 bis 9 zeigen einen Herstellungsablauf zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Zelle 100 weist ein elektrisch leitendes Gehäuse 102 auf. Das Gehäuse 102 besteht aus einer ersten elektrisch leitenden Halbschale 104 und einer von der ersten Halbschale 104 elektrisch isolierten zweiten Halbschale 106. Eine in die erste Halbschale 104 gegossene und ausgehärtete Anode 108 ist elektrisch leitend mit der ersten Halbschale 104 verbunden. Eine in die zweite Halbschale 106 gegossene und ausgehärtete Kathode 110 ist elektrisch leitend mit der zweiten Halbschale 106 verbunden. Zwischen der Anode 108 und der Kathode 110 ist ein gegossener und ausgehärteter Separator 112 angeordnet. Der Separator 112 wird hier auf die Anode 108 gegossen. Die Anode 108, der Separator 112 und die Kathode 110 sind von einem Elektrolyt 114 getränkt.
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In 1 ist die erste Halbschale 104 dargestellt. Die erste Halbschale 104 weist hier eine rechteckige Grundfläche und umlaufende Wände auf. Um einen Rand der Wände läuft eine Nut 116 um. Hier sind Gussformen 118 in der ersten Halbschale 104 angeordnet. Die Gussformen 118 sind Platzhalter, für Aussparungen in der Anode 108. Hier sind würfelförmige beziehungsweise pyramidenstumpfförmige Gussformen 118 zum Ausformen einer dreidimensional gestalteten Oberfläche der Anode 108 dargestellt. Zusätzlich ist eine Gussform 118 zum Ausformen eines Reservoirs für den Elektrolyt 114 dargestellt.
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In 2 ist ein Gießprozess der Anode 108 dargestellt. Dabei wird ein Anodenschlicker 120 in die erste Halbschale 104 gegossen. Der Anodenschlicker 120 verbindet sich mit der ersten Halbschale 104 elektrisch leitend. In 3 ist die erste Halbschale 104 mit der ausgehärteten Anode 108 dargestellt. Nach dem Gießen ist der Anodenschlicker 120 zum Aushärten erwärmt worden. Dabei sind Verdünner und Lösemittel verdampft und der Anodenschlicker 120 zu der Anode 108 ausgehärtet. Die Anode 108 ist mit einem Abstand zum Rand der Wände gegossen worden und/oder durch einen an das Aushärten anschließenden Pressprozess komprimiert worden.
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In 4 ist ein Gießprozess des Separators 112 dargestellt. Dabei wird ein Separatorenschlicker 122 auf die ausgehärtete Anode 108 gegossen, bis die erste Halbschale 104 voll ist und die Anode 108 vollständig bedeckt ist. Anschließend wird der Separatorenschlicker 122 ausgehärtet und optional gepresst, um die Herstellung der ersten Halbschale 104 mit Anode 108 und Separator 112 fertigzustellen. In 5 ist die ersten Halbschale 104 mit Anode 108 und Separator 112 dargestellt.
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In 6 ist ein Gießprozess der Kathode 110 dargestellt. Dabei wird ein Kathodenschlicker 124 in die zweite Halbschale 106 gegossen. Die zweite Halbschale 106 weist hier eine der ersten Halbschale 104 entsprechende rechteckige Grundfläche und umlaufende Wände auf. Ein Rand der Wände ist passend zu der Nut 116 geformt. Der Kathodenschlicker 124 verbindet sich mit der zweiten Halbschale 106 elektrisch leitend. In 7 ist die zweite Halbschale 106 mit der ausgehärteten Kathode 110 dargestellt. Nach dem Gießen ist der Kathodenschlicker 124 zum Aushärten erwärmt worden. Dabei sind Verdünner und Lösemittel verdampft und der Kathodenschlicker 124 zu der Kathode 110 ausgehärtet.
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In 8 ist eine Vorbereitung für das Zusammenfügen dargestellt. Dabei wird die Nut 116 vollständig mit einem elektrisch isolierenden Material 126 ausgegossen. Das Material 126 kann ein Klebstoff oder Polymer sein. In 9 sind die erste Halbschale 104 und die zweite Halbschale 106 zu dem Gehäuse 102 zusammengefügt und mittels des Materials 126 dicht verklebt und elektrisch voneinander isoliert. Zum Aktivieren der Zelle 100 wird der Elektrolyt 114 eingefüllt. Hier ist je ein Elektrolytbefüllloch 128 in die erste Halbschale 104 und die zweite Halbschale 106 eingebracht worden. Der Elektrolyt 114 ist flüssig und wird beispielsweise in die Elektrolytbefülllöcher 128 eingegossen oder eingespritzt.
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Mit anderen Worten wird eine gegossene Lithium-Ionen Zelle 100 mit extrem hohen Energieinhalt vorgestellt.
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Hier wird ein neuartiger Aufbau einer Li-Ionen-Zelle 100 im Hardcase vorgeschlagen, um den Volumennutzungsgrad zu steigern und um somit eine Li-Ionen-Zelle 100 mit extrem hoher Energiedichte zu erzeugen.
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Die hier vorgestellte Li-Ionen-Zelle 100 besteht aus zwei metallischen Halbschalen 104, 106 (z.B. Nutshell-/Hardcase-Pouch-Format oder ähnliche), einer Isolation zwischen beiden Halbschalen 104, 106 (z.B. Retainer mit Klebung entsprechend Nutshell-/Hardcase-Pouch-Format oder lediglich einer Klebung), Anodenschlicker 120 (z.B. Graphit, Leitruß, ggf. Polymerbinder, ggf. Cu-Partikel, Lösemittel), Kathodenschlicker 124 (z.B. NCM, Leitruß, ggf. Leitgraphit, ggf. Polymerbinder, ggf. AI-Partikel, Lösemittel), Separatorenschlicker 122 (z.B. Al2O3 oder Böhmit, Polymerbinder, ggf. n-Butanol, Lösemittel) und Flüssigelektrolyt 114.
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Komponenten, wie Isolationsfolien, Tapes zur Stack-Fixierung, Ableiter/Terminals, Cu- und AI-Ableiterfolien, sowie Separatorenfolien werden nicht mehr benötigt. Dadurch kann die Zell-Energiedichte drastisch erhöht werden.
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Bei dem hier vorgestellten Zell-Typ erfolgt damit eine drastische Reduzierung aller elektrochemisch inaktiven Komponenten und eine Beschränkung auf die für eine Li-Ionen-Zelle 100 nötigsten Komponenten. Welches Zell-Format gewählt wird, ist daher in erster Linie irrelevant. Selbst zylindrische Zellen im z.B. 18650-Format können in ihrer Energiedichte verbessert werden.
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Ein Verfahren zum Herstellen weist die folgenden Schritte auf:
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Herstellen eines Anodenschlickers 120 aus Graphit, Leitruß, Polymerbinder und Lösemittel, ggf. mit Cu-Partikeln zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit innerhalb einer extrem dicken Schicht.
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Auffüllen einer ersten Halbschale 104 mit dem gießfähigen Anodenschlicker 120. Die Halbschale 104 weist eine umlaufende Nut 116 für eine spätere Klebung beziehungsweise einen Retainer auf. Die erste Halbschale 104 ist das Gehäuse 102, der Minuspol, der Stromableiter und das Ableiter/Terminal zugleich. Optional kann vor dem Gießprozess eine Gussform 118 für ein Elektrolytreservoir oder eine 3D-Elektrode eingesetzt werden.
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Trocknen der Schicht mit einer Heizplatte, einem Ofen und/oder einem IR-Strahler
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Vor-Verdichten der getrockneten Schicht mit einer Stempelpresse zur Einstellung einer ersten Vor-Porosität der Anodenschicht.
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Herstellen eines Separatorschlickers 122 aus Al2O3 oder Böhmit, Polymerbinder und Lösemittel, ggf. mit n-Butanol zur Einstellung der Porosität.
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Weiteres Auffüllen der mit dem Anodenschlicker 120 aufgefüllten Halbschale 104 mit dem Separatorenschlicker 122, um eine mit Anoden- und Separatorenschlicker 122 aufgefüllte erste Halbschale 104 zu erhalten.
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Trocknen der Schicht mit einem Heizplatte, einem Ofen und/oder einem IR-Strahler.
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Verdichten der getrockneten Schicht mit einer Stempelpresse zur Einstellung der Soll-Porosität von Anoden- und Separatorenmaterial.
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Herstellen eines Kathodenschlickers 124 aus NCM, Leitruß, ggf. Leitgraphit, Polymerbinder und Lösemittel, ggf. mit AI-Partikeln zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit innerhalb einer extrem dicken Schicht.
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Auffüllen einer zweiten Halbschale 106 mit dem gießfähigen Kathodenschlicker124. Die zweite Halbschale 106 ist das Gehäuse 102, der Pluspol, der Stromableiter und das Ableiter/Terminal zugleich.
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Trocknen der Schicht mit einer Heizplatte, einem Ofen und/oder einem IR-Strahler.
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Verdichten der getrockneten Schicht mit einer Stempelpresse auf eine Soll-Porosität der Kathodenschicht.
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Auffüllen der Nut 116 mit elektrisch isolierendem Material 126 oder einem geklebten Retainer.
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Zusammensetzen der mit Anoden- und Separatorenschlicker aufgefüllten ersten Halbschale 104 mit der aufgefüllten Nut 116 und der mit dem Kathodenschlicker 124 aufgefüllten zweiten Halbschale 106 zu einer fertigen Hochenergiezelle. Beziehungsweise ineinander Stecken der beiden Schalen und Isolieren der beiden Halbschalen 104, 106 durch Kleben oder durch den verklebten Retainer.
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Injizieren eines flüssigen Elektrolyten 114 über ein in die erste Halbschale 104 und/oder die zweite Halbschale 106 eingebrachtes Elektrolytbefüllloch 128 und anschließendes Verschließen des Befülllochs mit einem Befüllstopfen durch Kleben oder Laserschweißen.
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Die fertige Zelle 100 kann normal weiter durch Auslagern, Formieren, Ageing gehandhabt werden.
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Durch Cu-/Al-Partikel kann die schlechtere Leitfähigkeit innerhalb einer nun sehr dicken Schicht kompensiert werden. Die Zelle 100 wird quasi in einer Form aufgegossen und ausgebacken. Es ergibt sich durch Ausgießen einer Form mit flexiblen Pasten eine extrem hohe Volumennutzung. Eine schnelle Änderung der spezifischen und volumetrischen Energie ist durch einfaches Ändern der Schlickermassen, also der Zusammensetzung und/oder Materialchemie möglich.
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Es sind keine maschinellen Änderungen nötig. Durch das Ausgestalten und Einsetzen von Gussformen 118 können Elektrolytreservoirs für die spätere Elektrolytbefüllung und Zyklisierung nebst den Elektroden als Aussparungen an einem inneren Gehäuserand oder auch innerhalb der Elektroden in der Zellmitte eingegossen werden. Durch das Ausgestalten und Einsetzen von Gussformen 118 können auch direkt verzahnte 3D-Elektroden und -Zellen gegossen werden. Dadurch können die Li-Ionen-Diffusionswege verkürzt und die Aktivoberfläche erhöht werden. Die Elektrolytbefüllung kann durch Erzeugung von Kapillarpfaden beschleunigt werden.
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Es entfallen als inaktives Material beispielsweise 79 Separatoren, 40 Cu-Folien, 40 Al-Folien, zwei Isolationsfolien. Inaktive Komponenten nehmen in Bezug auf die vorherigen 18,8mm-Dicke nur 0,05mm ein, was 0,3% bei sonst gleicher Elektrodenchemie entspricht. Bei gleicher Bauhöhe kann der Anteil der inaktiven Komponenten somit auf kleiner 1% reduziert werden.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz gibt es keine Cu- und Al-Stromableiter mehr, die untereinander verbunden sowie an die Terminals angebunden werden müssen. Dadurch entfallen aufwendige Prozessschritte. Es ist keine aufwendige maschinelle Stapelung oder Wickelung von Elektroden- und Separatorenblättern/-bändern mehr nötig. Dadurch entfallen Positionierfehler und Kanteneffekte. Die elektrochemische und mechanische Alterung der Elektroden und Separatoren ist reduziert. Aufwendige Maschineneinheiten zur Elektroden-/Separatoren-Herstellung und -Prozessierung entfallen.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
