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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Energiespeichereinheit mit einem Festkörperelektrolyten sowie von einer entsprechenden elektrischen Energiespeichereinheit mit einem Festkörperelektrolyten.
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Stand der Technik
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Elektrische Energie kann beispielsweise mittels Batterien gespeichert werden. Dabei findet heutzutage häufig die sogenannte Lithiumionentechnologie Verwendung. Diese weist eine positive Elektrode, auch als Kathode bezeichnet, und eine negative Elektrode, auch als Anode bezeichnet, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter, an welchem ein Aktivmaterial angebracht ist. Bei dem Aktivmaterial für die Kathode handelt es sich beispielsweise um ein Metalloxid. Bei dem Aktivmaterial für die Anode handelt es sich beispielsweise um Graphit, Silizium oder Lithium. Zwischen Kathode und Anode ist dabei ein Separator angeordnet. Dieser Separator verhindert einen direkten Kurzschluss zwischen Kathode und Anode. Die genannten Komponenten sind dabei von einem flüssigen Elektrolyten durchtränkt, welcher die Bewegung von Lithiumionen ermöglicht. Liegt der Elektrolyt nicht in flüssiger sondern in fester Form vor, spricht man von einem Festkörperelektrolyten. In diesen Energiespeichern wird die Separator- und Elektrolytfunktion von einer Materialkomponente übernommen. Zwar könnte dieser Festkörperelektrolyt ebenfalls als Komponente zwischen die Elektroden gelegt werden um einen Kurzschluss zu verhindern, doch sprechen mehrere produktionstechnische Gründe dagegen. So ist der Festkörperelektrolyt aus Kosten- und Funktionsgründen möglichst dünn zu halten und hat in der Regel Schichtdicken von weniger als 20 µm, wodurch eine Handhabung in der Produktion erschwert wird. Daher wird der Elektrolyt beispielsweise in einem Nassprozess auf die Kathode aufgebracht und kann so höchstens auf die Breite der Kathode beziehungsweise auf die Breite des Kathodenstromableiters beschichtet beziehungsweise geschnitten werden. Zur Beschichtung über die Substratbreite hinweg sind gegebenenfalls komplizierte Prozessschritte notwendig. Es besteht daher insbesondere bei mehrlagigen, mittels eines Stapelungsprozesses hergestellten Batteriezellen ein erhöhtes Kurzschlussrisiko, wenn keine entsprechenden isolierenden Komponenten im Randbereich der Elektroden vorgesehen sind.
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Die Druckschriften
WO 2008/011061 A1 und
EP 2434 567 A2 beschreiben ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtlithiumbatterie und eine entsprechende Dünnschichtlithiumbatterie. Dabei werden einzelne Schichten mit einem Isolationsmaterial, beispielsweise einem Polymer, beschichtet.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Offenbart werden ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Energiespeichereinheit mit einem Festkörperelektrolyten sowie eine elektrische Energiespeichereinheit mit einem Festkörperelektrolyten mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
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Dabei umfasst die elektrische Energiespeichereinheit mit dem Festkörperelektrolyten eine Kathodenstromableiterschicht, eine Kathodenschicht, eine Separatorschicht mit dem Festkörperelektrolyten, eine Anodenschicht und eine Anodenstromableiterschicht, wobei mindestens zwei der Schichten übereinandergefügt werden, wobei eine der mindestens zwei Schichten die Separatorschicht ist. Beispielsweise kann auf die Kathodenschicht, welche gegebenenfalls auf die Kathodenstromableiterschicht aufgebracht ist, die Separatorschicht aufgebracht werden. Entsprechend kann die Separatorschicht auf die Anodenschicht aufgebracht werden.
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In einem weiteren Schritt werden die mindestens zwei effektive Schichten unter Wärmeeintrag, insbesondere unter effektivem Wärmeeintrag, geschnitten, beispielsweise um eine entsprechende Formgebung der übereinandergefügten Schichten zu erzielen. Dies erfolgt in vorteilhafter Weise durch einen Laser oder mittels Ultraschall beziehungsweise beheizter Stanzwerkzeuge.
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In einem weiteren Schritt werden die Schichten derart zusammengebracht, dass sich bei einem über die Kathodenstromableiterschicht und die Anodenstromableiterschicht geschlossenen elektrischen Stromkreis elektrisch geladene Teilchen durch Anodenschicht, Separatorschicht und Kathodenschicht bewegen, was die Funktionsfähigkeit der so hergestellten elektrischen Energiespeichereinheit gewährleistet.
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Es ist möglich, dass beispielsweise die Kathodenschicht bereits in einem hier nicht näher beschriebenen vorangehenden Schritt auf der Kathodenstromableiterschicht aufgebracht wird und/oder ebenso die Anodenschicht bereits auf die Anodenstromableiterschicht aufgebracht wird. Das Übereinanderfügen der Schichten umfasst ebenso diese Ausgestaltung.
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Durch den Wärmeeintrag während des Schneidens der mindestens zwei Schichten erfolgt ein zumindest teilweises Aufschmelzen der Separatorschicht, insbesondere wenn diese einen Polymerwerkstoff umfasst. Dies kann eine Isolationsschicht erzeugen.
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Durch diesen gezielten Wärmeeintrag wird somit in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass Bereiche auf den genannten Schichten innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit, an denen eine erhöhte Kurzschlussgefahr besteht, mit einer elektrischen Isolation versehen werden. Dies senkt das Kurzschlussrisiko und ist relativ einfach und kostengünstig in bestehende Produktionsprozesse integrierbar. Beispielsweise können Schichten in einer elektrochemischen Zelle innerhalb gewisser Grenzen unabhängig von der Breite des Separators mit Festkörperelektrolyten gestapelt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch den gezielten Wärmeeintrag kein oder ein nur geringer Schichtdickenzuwachs erfolgt, wodurch sich die Energiedichte, insbesondere die volumetrische Energiedichte der elektrischen Energiespeichereinheit nicht wesentlich verringert. Weiterhin wird in vorteilhafter Weise die Anzahl an Prozessschritten reduziert, da das Erzeugen der Isolationsschicht in den Schneidprozess integriert ist.
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Insbesondere ist das beschriebene Verfahren bei einer Verwendung einer Lithiummetallanode vorteilhaft, da diese in situ passiert und unter weniger restriktiven Bedingungen während des Herstellungsprozesses gehandhabt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die verwendeten Schneidwerkzeuge weniger Verschleiß aufweisen, da das stark anhaftende Lithium in situ passiert wird und dadurch nur sehr kurze Kontaktzeiten mit dem Schneidwerkzeug haben wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßigerweise wird die Kathodenstromableiterschicht mit der Kathodenschicht und/oder die Anodenstromableiterschicht mit der Anodenschicht und/oder die Kathodenschicht mit der Separatorschicht und/oder die Anodenschicht mit der Separatorschicht beschichtet, wobei das oben beschriebene Übereinanderfügen vor und/oder nach dem hier genannten Beschichten stattfindet. Somit kann flexibel auf die Anforderungen des jeweiligen Herstellungsprozesses reagiert werden und gegebenenfalls eine arbeitsteilige Herstellung einzelner Komponenten der elektrischen Energiespeichereinheit vorgesehen werden. Weiterhin ist in vorteilhafter Weise eine einfache Integration in bestehende Herstellungsprozesse möglich.
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Zweckmäßigerweise wird der Wärmeeintrag in Abhängigkeit der Dicke der mindestens zwei Schichten geregelt, wobei die Dicke der mindestens zwei Schichten vor dem Übereinanderfügen ermittelt wird. Die Abhängigkeit des Wärmeeintrags von der Schichtdicke kann beispielsweise in einem Kennfeld hinterlegt sein, welches in einem Datenspeicher abgelegt ist. Somit kann nach Bestimmung der Schichtdicke während des Herstellungsprozesses ein geeigneter Wärmeeintrag eingereglt werden. Die Berücksichtigung von Materialeigenschaften und Charakteristika des Produktionsprozesses erlaubt in vorteilhafter Weise eine besonders effiziente und genaue Ausführung des Schneidprozesses. Dies erhöht die Qualität der hergestellten elektrischen Energiespeichereinheit.
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Vorteilhafterweise wird die Schichtdicke der mindestens zwei Schichten während während des Herstellungsprozesses regelmäßig und/oder kontinuierlich ermittelt, um die Laserleistung regelmäßig und/oder kontinuierlich an die aktuelle Schichtdicke anzupassen.
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Zweckmäßigerweise erfolgt die Ermittlung der Dicke der mindestens zwei Schichten vor dem Schneiden und nach dem Übereinanderfügen. Somit werden Schwankungen der Dicke aufgrund des Produktionsprozesses und der Materialbeschaffenheit festgestellt und der Wärmeeintrag wird in vorteilhafterweise auf die momentane Schichtdicke abgeglichen. Dadurch erhöht sich die Qualität des Schneidprozesses.
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Zweckmäßigerweise wird der Wärmeeintrag in Abhängigkeit einer Materialzusammensetzung der mindestens zwei Schichten gesteuert. Die Berücksichtigung von Materialeigenschaften und Charakteristika des Produktionsprozesses erlaubt somit in vorteilhafter Weise eine besonders effiziente und genaue Ausführung des Schneidprozesses. Dies erhöht die Qualität der hergestellten elektrischen Energiespeichereinheit durch eine präzise Ausbildung der entsprechenden elektrischen Isolationsschicht, welche durch den präzisen Wärmeeintrag erzeugt wird.
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Zweckmäßigerweise werden die mindestens zwei Schichten unter Verwendung eines Laserstrahls geschnitten. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise eine schnelle und präzise Durchführung des Schneidprozesses, wobei Standzeiten der Linie durch Werkzeugverschleiß vermieden werden, da der Laser ein berührungsloser Produktionsprozess ist.
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Zweckmäßigerweise erfolgt der Wärmeeintrag durch den Laserstrahl in Abhängigkeit der Position des Laserstrahl auf der Kathodenstromableiterschicht, der Kathodenschicht, der Separatorschicht mit dem Festkörperelektrolyten, der Anodenschicht und/oder der Anodenstromableiterschicht. Dies ermöglicht ein gezieltes Aufschmelzen der Separatorschicht in präzise einstellbaren Bereichen der Separatorschicht, wodurch eine sehr genaue Ausgestaltung der Isolationsschicht erreicht wird. Darüber hinaus wird in vorteilhafter Weise eine negative Beeinflussung der Funktionalität der übrigen Schichten vermieden und somit die Qualität der hergestellten elektrischen Energiespeichereinheit erhöht.
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Zweckmäßigerweise werden die mindestens zwei Schichten mittels Ultraschall und/oder mittels eines beheizten Stanzwerkzeuges geschnitten. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine hohe Taktzeit bei der Herstellung der elektrischen Energiespeichereinheit erreicht bei gleichzeitiger präziser Durchführung des Schneidprozesses. Dies ist auch von der Materialbeschaffenheit abhängig, wobei beispielsweise beim Laserschneiden ein bei den Laserwellenlängen „aktives“ Material benötigt wird. Ist dies nicht der Fall, bietet sich der Schnitt mittels Ultraschall oder Stanzen an.
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Weiterhin wird eine elektrische Energiespeichereinheit mit einem Festkörperelektrolyten beschrieben, welche mittels des beschriebenen Verfahrens hergestellt wird. Somit sind Bereiche auf den genannten Schichten innerhalb der elektrischen Energiespeichereinheit, an denen eine erhöhte Kurzschlussgefahr besteht, mit einer elektrischen Isolation versehen. Dies senkt das Kurzschlussrisiko und ist relativ einfach und kostengünstig in bestehende Produktionsprozesse integrierbar. Die Anwendung einer so hergestellten elektrischen Energiespeichereinheit, beispielsweise in einem elektrischen Fahrzeug, wird dadurch in Bezug auf die Sicherheit wesentlich verbessert.
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Typische Materialien für die Separatorschicht sind dabei keramische Elektrolyte, polymere Elektrolyte oder sulfidische Gläser. Typische Materialien für die Anodenschicht sind dabei Lithium, Silizium, Graphit oder amorpher Kohlenstoff. Typische Materialien für die Kathodenschicht sind dabei Lithiumkobaltoxid, Lithiummanganoxid oder Lithiumeisenphosphat.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Material der Separatorschicht ein Polymer beziehungsweise ist der Separator aus einem Polymer hergestellt. Eine solche Separatorschicht erlaubt in vorteilhafter Weise ein gezieltes, partielles Aufschmelzen, wodurch sich eine passivierende Polymerschicht auf beziehungsweise an der entsprechenden Elektrode, insbesondere der Anodenschicht und/oder der Kathodenschicht beziehungsweise den entsprechenden Stromableiterschichten, bildet.
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Weiterhin wird die Verwendung einer solchen elektrischen Energiespeichereinheit in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen, in stationären elektrischen Energiespeicheranlagen, in elektrisch betriebenen Handwerkzeugen, in portablen Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung sowie in Haushaltsgeräten beschrieben. Insbesondere in Anwendungen, wo eine sehr hohe Energiedichte relevant ist, erweist sich eine derart hergestellte elektrische Energiespeichereinheit als vorteilhaft.
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Figurenliste
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
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Es zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm des offenbarten Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 ein Flussdiagramm des offenbarten Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
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1 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Herstellungsverfahrens einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform. Dabei weist die elektrische Energiespeichereinheit zumindest eine Kathodenstromableiterschicht 103, eine Kathodenschicht 102, eine Separatorschicht 101 mit einem Festkörperelektrolyten, eine Anodenschicht 104 und eine Anodenstromableiterschicht auf, wobei die Anodenstromableiterschicht in 1 nicht dargestellt ist. Beispielsweise kann die Anodenschicht selber als Ableiterschicht fungieren.
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In einem ersten Schritt S11 werden zur Herstellung der elektrischen Energiespeichereinheit drei Teilkomponenten verwendet, wobei die erste Teilkomponente zwei Separatorschichten 101, zwei Kathodenschichten 102 und eine Kathodenstromableiterschicht 103, welche aus Aluminium gebildet ist, umfasst. Die zweite Teilkomponente umfasst die Anodenschicht 104 und einer hier nicht dargestellte Anodenstromableiterschicht. Die dritte Teilkomponente umfasst zwei Separatorschichten 101, zwei Kathodenschichten 102 und eine Kathodenstromableiterschicht 103. Sie ist demzufolge gleich aufgebaut wie die erste Teilkomponente.
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In einem zweiten Schritt S12 werden die genannten Schichten beziehungsweise die genannten Teilkomponente übereinandergefügt, sodass die erste Teilkomponente und die dritte Teilkomponente über die zweite Teilkomponente, die Anodenschicht 104, verbunden sind. Dies bedeutet, dass sich bei einem über die Kathodenstromableiterschichten 103 und die Anodenschicht 104 mit hier nicht dargestellter Anodenstromableiterschicht geschlossenen elektrischen Stromkreis elektrisch geladene Teilchen durch die Anodenschicht 104, die Separatorschichten 101 und die Kathodenschichten 102 bewegen, sofern zwischen der Anodenschicht 104 und den Kathodenschichten 102 ein elektrisches Potenzialgefälle herrscht.
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In einem dritten Schritt S13 erfolgt ein Schnitt entlang der gestrichelt dargestellten Schnittlinie 105. Dieser Schnitt kann insbesondere mittels eines Lasers durchgeführt werden.
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In einem vierten Schritt S14, als Resultat des dritten Schrittes S13, ist die Ausbildung zweier Isolationsschichten 106 dargestellt, welche sich an den seitlichen Rändern der Anodenschicht 104 beziehungsweise an den seitlichen Rändern der direkt in physischem Kontakt mit der Anode stehenden Separatorschichten 101 befinden. Diese bilden sich zumindest teilweise zeitgleich mit dem in dem dritten Schritt S13 durchgeführten Schnitt unter Wärmeeintrag aus. Somit ist ein elektrischer Kurzschluss über die Anodenschicht 104 ausgeschlossen.
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2 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform. Dabei entsteht die elektrische Energiespeichereinheit auch hier wieder aus drei Teilkomponenten, die wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind.
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In einem ersten Schritt S21 wird die erste Teilkomponente, umfassend zwei Separatorschichten 201, zwei Kathodenschichten 202 und eine Kathodenstromableiterschicht 203, bereitgestellt. In einem hier nicht dargestellten vorangegangenen Schritt wurde die Kathodenstromableiterschicht 203 mit zwei Kathodenschichten 202 beschichtet beziehungsweise verbunden sowie jeweils die entsprechende Separatorschicht 201 auf die nicht der Kathodenstromableiterschicht zugewandte Seite der Kathodenschicht 202 aufgebracht.
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In einem zweiten Schritt S22 erfolgt nun ein Schnitt entlang der gestrichelt dargestellten Schnittlinie 205. Dieser Schnitt kann insbesondere mittels eines beheizten Stanzwerkzeuges durchgeführt werden. Alternativ kann die Durchführung mittels eines Lasers erfolgen.
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In dem dritten Schritt S23 ist, als Resultat des zweiten Schrittes S22, die Ausbildung zweier Isolationsschichten 206 dargestellt, welche sich an den seitlichen Rändern der Kathodenstromableiterschicht 203 beziehungsweise an den seitlichen Rändern der angrenzenden Kathodenschichten 202 der ersten Teilkomponente befinden. Diese bilden sich zumindest teilweise zeitgleich mit dem in dem zweiten Schritt S22 durchgeführten Schnitt unter Wärmeeintrag aus. Somit ist das Risiko eines elektrischen Kurzschlusses über die Kathodenstromableiterschicht 203 ausgeschlossen.
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Die dritte Teilkomponente, welche, wie oben erwähnt, gleich aufgebaut ist wie die erste Teilkomponente, wird in analoger Weise mittels des ersten bis dritten Schrittes hergestellt, sodass zwei nahezu identische Teilkomponenten entstehen.
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In einem vierten Schritt S24 werden die erste, zweite und dritte Teilkomponente derart zusammengebracht, dass sich bei einem über die Kathodenstromableiterschichten 203 und die Anodenschicht 204 mit hier nicht dargestellter Anodenstromableiterschicht geschlossenen elektrischen Stromkreis elektrisch geladene Teilchen durch die Anodenschicht 204, die Separatorschichten 201 und die Kathodenschichten 202 bewegen, sofern zwischen der Anodenschicht 204 und den Kathodenschichten 202 ein elektrisches Potenzialgefälle herrscht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/011061 A1 [0003]
- EP 2434567 A2 [0003]
