DE102017216131A1 - Method for producing an electrode stack for a battery cell and battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines bandförmigen ersten Separatorelements (16); Bereitstellen mehrerer plattenförmiger Elektrodensegmente (56); Erzeugen eines bandförmigen Verbundelements (50) durch Ablegen der Elektrodensegmente (55) auf das erste Separatorelement (16); Aufbringen mindestens eines Klebefilms (131) auf das erste Separatorelement (16) des Verbundelements (50), wobei eine Höhe (H) des Klebefilms (131) größer ist als eine Stärke (S) der Elektrodensegmente (56); Aufbringen eines bandförmigen zweiten Separatorelements auf das Verbundelement (50) derart, dass die Elektrodensegmente (56) zumindest weitgehend zwischen den beiden Separatorelementen (16) eingeschlossen sind, und dass die Höhe (H) des Klebefilms (131) verringert wird. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, die mindestens einen Elektrodenstapel umfasst, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. The invention relates to a method for producing an electrode stack for a battery cell, comprising the following steps: providing a band-shaped first separator element (16); Providing a plurality of plate-shaped electrode segments (56); Producing a band-shaped composite element (50) by depositing the electrode segments (55) on the first separator element (16); Applying at least one adhesive film (131) to the first separator element (16) of the composite element (50), wherein a height (H) of the adhesive film (131) is greater than a thickness (S) of the electrode segments (56); Applying a band-shaped second separator element to the composite element (50) such that the electrode segments (56) are at least largely enclosed between the two separator elements (16) and that the height (H) of the adhesive film (131) is reduced. The invention also relates to a battery cell comprising at least one electrode stack, which is produced by the process according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle aus plattenförmigen Elektrodensegmenten und Stapeln der Segmente. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, die einen Elektrodenstapel aufweist, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.The invention relates to a method for producing an electrode stack for a battery cell from plate-shaped electrode segments and stacking of the segments. The invention also relates to a battery cell having an electrode stack, which is produced by the method according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
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.Electrical energy can be stored by means of batteries. Batteries convert chemical reaction energy into electrical energy. Here, a distinction is made between primary batteries and secondary batteries. Primary batteries are only functional once, while secondary batteries, also referred to as accumulators, are rechargeable. In particular, so-called lithium-ion battery cells are used in an accumulator. These are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge.
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.Lithium-ion battery cells have a positive electrode, also referred to as a cathode, and a negative electrode, also referred to as an anode. The cathode and the anode each comprise a current conductor, on which an active material is applied. The electrodes of the battery cell are formed like a foil and stacked, for example, to form an electrode stack with the interposition of a separator which separates the anode from the cathode. The electrodes can also be wound into an electrode winding or in some other way form an electrode unit.
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.The two electrodes of the electrode unit are electrically connected to poles of the battery cell, which are also referred to as terminals. The electrodes and separator are surrounded by a generally liquid electrolyte. The battery cell further comprises a cell housing, which is made of aluminum, for example. The cell housing is usually prismatic, in particular cuboid, designed and pressure-resistant. But other forms of housing, such as circular cylindrical, or flexible pouch cells are known.
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.An essential goal in the development of new battery cells is to increase the electrochemical useful volume in the cell. The electrode stack has proven to be the most suitable design of an electrode unit for maximizing the useful volume, since it can be produced both prismatically and in any other geometry.
Aus der
Aus der
Aus der
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst dabei mindestens die nachfolgend aufgeführten Schritte.A method for producing an electrode stack for a battery cell is proposed. The method comprises at least the steps listed below.
Zunächst wird ein bandförmiges erstes Separatorelement bereitgestellt. Das erste Separatorelement ist vorliegend flach und bandförmig ausgebildet. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Ausdehnung des ersten Separatorelements in eine Längsrichtung viel größer, insbesondere mindestens zehnmal größer, ist als eine Ausdehnung des ersten Separatorelements in eine Querrichtung, welche rechtwinklig zu der Längsrichtung orientiert ist.First, a band-shaped first separator element is provided. In the present case, the first separator element is flat and band-shaped. In this context, this means that an expansion of the first separator element in a longitudinal direction is much greater, in particular at least ten times greater, than an extension of the first separator element in a transverse direction, which is oriented at right angles to the longitudinal direction.
Ferner werden mehrere plattenförmige Elektrodensegmente bereitgestellt. Die Elektrodensegmente sind dabei flach und plattenförmig ausgebildet. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Ausdehnung der Elektrodensegmente in Längsrichtung annähernd gleich groß, insbesondere mindestens halb so groß und höchstens doppelt so groß, ist wie eine Ausdehnung der besagten Segmente in Querrichtung.Furthermore, a plurality of plate-shaped electrode segments are provided. The electrode segments are flat and plate-shaped. In this context, this means that an extension of the electrode segments in the longitudinal direction is approximately the same size, in particular at least half as large and at most twice as large, as an extension of the said segments in the transverse direction.
Bei den Elektrodensegmenten kann es sich beispielsweise um Anodensegmente handeln, welche einen anodischen Stromableiter umfassen, auf den ein anodisches Aktivmaterial aufgebracht ist. Ebenso kann es sich bei den Elektrodensegmenten um Kathodensegmente handeln, welche einen kathodischen Stromableiter umfassen, auf den ein kathodisches Aktivmaterial aufgebracht ist.The electrode segments can be, for example, anode segments which comprise an anodic current conductor to which an anodic active material is applied. Likewise, it can be at the electrode segments to be cathode segments, which comprise a cathodic current collector, on which a cathodic active material is applied.
Durch Ablegen der plattenförmigen Elektrodensegmente auf das bandförmige erste Separatorelement wird dann ein bandförmiges Verbundelement erzeugt.By depositing the plate-shaped electrode segments on the band-shaped first separator element, a band-shaped composite element is then produced.
Anschließend wird mindestens ein Klebefilm auf das erste Separatorelement des Verbundelements aufgebracht. Dabei ist eine Höhe des Klebefilms größer als eine Stärke der Elektrodensegmente. Die Höhe des Klebefilms ist eine Ausdehnung des Klebefilms in eine Stapelrichtung, welche rechtwinklig zu der Längsrichtung und rechtwinklig zu der Querrichtung orientiert ist. Die Stärke der Elektrodensegmente ist eine Ausdehnung der Elektrodensegmente in die Stapelrichtung.Subsequently, at least one adhesive film is applied to the first separator element of the composite element. In this case, a height of the adhesive film is greater than a thickness of the electrode segments. The height of the adhesive film is an extension of the adhesive film in a stacking direction which is oriented perpendicular to the longitudinal direction and perpendicular to the transverse direction. The thickness of the electrode segments is an extension of the electrode segments in the stacking direction.
Danach wird ein bandförmiges zweites Separatorelement auf das Verbundelement derart aufgebracht, dass die Elektrodensegmente zumindest weitgehend zwischen den beiden Separatorelementen eingeschlossen sind. Insbesondere sind die Elektrodensegmente derart zwischen den beiden Separatorelementen angeordnet, dass lediglich Kontaktfahnen der Elektrodensegmente zwischen den Separatorelementen heraus ragen. Das zweite Separatorelement wird dabei derart auf das Verbundelement aufgebracht, dass das zweite Separatorelement den Klebefilm in der Stapelrichtung komprimiert, wodurch die Höhe des Klebefilms verringert wird.Thereafter, a band-shaped second separator is applied to the composite element such that the electrode segments are at least largely enclosed between the two separator elements. In particular, the electrode segments are arranged between the two separator elements such that only contact lugs of the electrode segments protrude outward between the separator elements. In this case, the second separator element is applied to the composite element in such a way that the second separator element compresses the adhesive film in the stacking direction, as a result of which the height of the adhesive film is reduced.
Bevorzugt wird das zweite Separatorelement dabei derart auf das Verbundelement aufgebracht, dass die Höhe des Klebefilms durch das Komprimieren zumindest annähernd auf die Stärke der Elektrodensegmente verringert wird. Die Höhe des Klebefilms entspricht somit der Stärke der Elektrodensegmente und die beiden Separatorelemente sind gleichmäßig voneinander beabstandet.In this case, the second separator element is preferably applied to the composite element such that the height of the adhesive film is reduced by the compression at least approximately to the thickness of the electrode segments. The height of the adhesive film thus corresponds to the thickness of the electrode segments and the two separator elements are evenly spaced from each other.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das zweite Separatorelement mittels einer zylindrischen Walze auf das Verbundelement gepresst.According to an advantageous embodiment of the invention, the second separator is pressed by means of a cylindrical roller on the composite element.
Bevorzugt wird das bandförmige Verbundelement von einer Transportvorrichtung in eine Transportrichtung bewegt, während das zweite Separatorelement auf das Verbundelement aufgebracht wird. Vorzugsweise rotiert die Walze dabei um eine Walzenachse, die in der Querrichtung verläuft. Die Querrichtung ist dabei rechtwinklig zu der Transportrichtung orientiert. Die Transportrichtung verläuft parallel zu der Längsrichtung.Preferably, the band-shaped composite element is moved by a transport device in a transport direction, while the second separator is applied to the composite element. Preferably, the roller rotates about a roller axis which extends in the transverse direction. The transverse direction is oriented at right angles to the transport direction. The transport direction is parallel to the longitudinal direction.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der mindestens eine Klebefilm derart auf das erste Separatorelement aufgebracht, dass ein erster Abstand von einer Mitte des Klebefilms zu dem nächstgelegenen Elektrodensegment kleiner ist als ein zweiter Abstand von der Mitte des Klebefilms zu einer Längskante des ersten Separatorelements. Die Längskante verläuft dabei in die Längsrichtung und die Abstände erstrecken sich in der Querrichtung.According to a preferred embodiment of the invention, the at least one adhesive film is applied to the first separator such that a first distance from a center of the adhesive film to the nearest electrode segment is smaller than a second distance from the center of the adhesive film to a longitudinal edge of the first separator. The longitudinal edge extends in the longitudinal direction and the distances extend in the transverse direction.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der mindestens eine Klebefilm vorgehärtet wird, insbesondere durch eine UV-Strahlung, bevor das zweite Separatorelement auf das Verbundelement aufgebracht wird. Unter der UV-Strahlung ist eine elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Bereich zu verstehen.According to an advantageous development of the invention, the at least one adhesive film is precured, in particular by UV radiation, before the second separator element is applied to the composite element. By UV radiation is meant electromagnetic radiation in the ultraviolet range.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der mindestens eine Klebefilm gehärtet, insbesondere durch eine UV-Strahlung, während das zweite Separatorelement auf das Verbundelement aufgebracht wird.According to a further advantageous development of the invention, the at least one adhesive film is cured, in particular by UV radiation, while the second separator element is applied to the composite element.
Gemäß noch einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der mindestens eine Klebefilm gehärtet, insbesondere durch eine UV-Strahlung, nachdem das zweite Separatorelement auf das Verbundelement aufgebracht wurde.According to yet another advantageous development of the invention, the at least one adhesive film is hardened, in particular by UV radiation, after the second separator element has been applied to the composite element.
Bevorzugt werden das bandförmige zweite Separatorelement und das Verbundelement zwischen den Elektrodensegmenten, bevorzugt in Querrichtung, geschnitten. Dann werden durch Aufbringen weiterer plattenförmiger Elektrodensegmente plattenförmige Stapelsegmente erzeugt. Sofern das Verbundelement Anodensegmente aufweist, werden nun Kathodensegmente aufgebracht. Sofern das Verbundelement Kathodensegmente aufweist, werden nun Anodensegmente aufgebracht.The ribbon-shaped second separator element and the composite element are preferably cut between the electrode segments, preferably in the transverse direction. Then plate-shaped stack segments are produced by applying further plate-shaped electrode segments. If the composite element has anode segments, cathode segments are now applied. If the composite element has cathode segments, anode segments are now applied.
Jedes Stapelsegment umfasst somit ein Anodensegment, ein Kathodensegment und zwei Separatorsegmente. Die Stapelsegmente werden dann zu dem Elektrodenstapel gestapelt.Each stack segment thus comprises an anode segment, a cathode segment and two separator segments. The stack segments are then stacked to the electrode stack.
Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, die mindestens einen Elektrodenstapel umfasst, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.It is also proposed a battery cell comprising at least one electrode stack, which is produced by the process according to the invention.
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.A battery cell according to the invention advantageously finds use in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), in a plug-in hybrid vehicle (PHEV) or in a consumer electronics product. Consumer electronics products are in particular mobile phones, tablet PCs or notebooks.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine Verringerung der erforderlichen Prozesszeit beim Stapeln der Elektroden und des Separators zu dem Elektrodenstapel. Vorteilhaft sind die beiden Separatorelemente nach Aufbringen des zweiten Separatorelements auf das Verbundelement zumindest annähernd flach und nicht gebogen. Dadurch ist die Gefahr einer Beschädigung der Separatorelemente, insbesondere an den Ecken der Elektrodensegmente, vermieden. Ferner sind die Stapelsegmente homogen und mit gleichmäßiger Stärke ausgestaltet und in dem Elektrodenstapel sind Hohlräume vermieden. Durch die Anordnung des Klebefilms näher an dem Elektrodensegment als an der Längskante des Separatorelements wird verhindert, dass beim Komprimieren des Klebefilms Klebstoff seitlich zwischen den beiden Separatorelementen austritt.The inventive method allows a reduction of the required process time when stacking the electrodes and the separator to the electrode stack. Advantageously, the two separator elements are at least approximately flat and not bent after application of the second separator element to the composite element. This avoids the risk of damaging the separator elements, in particular at the corners of the electrode segments. Furthermore, the stack segments are designed to be homogeneous and with uniform thickness, and cavities are avoided in the electrode stack. The arrangement of the adhesive film closer to the electrode segment than to the longitudinal edge of the separator element prevents adhesive from exiting laterally between the two separator elements when the adhesive film is compressed.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle, -
2 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung von Elektrodenstapeln für Batteriezellen, -
3 eine Draufsicht auf ein bandförmiges Verbundelement während ein Klebefilm aufgebracht wird, -
4 einen Schnitt durch das Verbundelement mit Klebefilm entlang der SchnittlinieA -A in3 , -
5 das Verbundelement mit Klebefilm nach4 , während ein zweites Separatorelement aufgebracht wird, -
6 das Verbundelement mit Klebefilm nach4 , nachdem ein zweites Separatorelement aufgebracht wurde, und -
7 eine schematische Darstellung eines aus mehreren Stapelsegmenten gebildeten Elektrodenstapels.
-
1 a schematic representation of a battery cell, -
2 a schematic representation of a plant for the production of electrode stacks for battery cells, -
3 a plan view of a band-shaped composite element while an adhesive film is applied, -
4 a section through the composite element with adhesive film along the cutting lineA -A in3 . -
5 the composite element with adhesive film after4 while applying a second separator element, -
6 the composite element with adhesive film after4 after a second separator element has been applied, and -
7 a schematic representation of an electrode stack formed from a plurality of stack segments.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
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.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, wherein a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.
Die Batteriezelle
Innerhalb des Gehäuses
Die Anode
Die Kathode
Von einer Kathodenrolle
Der Fördereinheit
Die Kathodensegmente
In der Transportvorrichtung
Auf das Verbundelement
Anschließend erfolgt innerhalb eines Übergabebereiches
Nach Passage des Übergabebereiches
Aus
So erhaltene, beispielsweise von Greifern des linearen Mover-Systems
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass das angetriebene Rad
Das erste Separatorelement
Mittels einer nicht dargestellten ersten Düse wird der erste Klebefilm
Der erste Klebefilm
Der erste Klebefilm
Der erste Klebefilm
Vorliegend wird der erste Klebefilm
Die Walze
Insbesondere wird die Höhe
Vorliegend wird der erste Klebefilm
Vorliegend wird der erste Klebefilm
Die Anodensegmente
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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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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