DE102017218137A1 - Method for producing an electrode arrangement, electrode arrangement and battery cell with such an electrode arrangement - Google Patents

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Friedhelm Guenter
Ingo Kesel
Andreas Letsch
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung für eine Batterie vorgeschlagen. In einem ersten Schritt a) werden eine erste Elektrodenschicht, eine Trennschicht und eine zweite Elektrodenschicht bereitgestellt und in einem zweiten Schritt b) wird eine Schichtstruktur gebildet, wobei in dieser Reihenfolge die erste Elektrodenschicht, die Trennschicht und die zweite Elektrodenschicht gestapelt werden. Dabei ist vorgesehen, dass ein erstes Elektrodenmaterial (12) zur Herstellung der ersten Elektrodenschicht, ein Material zur Herstellung der Trennschicht und/oder ein zweites Elektrodenmaterial (13) zur Herstellung der zweiten Elektrodenschicht als auf einer Rolle (14) aufgewickeltes Elektrodenmaterial vorliegt, welches zum Bereitstellen der ersten Elektrodenschicht, der Trennschicht und/oder der zweiten Elektrodenschicht mittels Ultraschallschneiden oder in einem ultraschallunterstützten Stanzprozess unter Verwendung einer Schneidkante getrennt wird.A method for producing an electrode arrangement for a battery is proposed. In a first step a), a first electrode layer, a release layer and a second electrode layer are provided and in a second step b) a layer structure is formed, in which order the first electrode layer, the release layer and the second electrode layer are stacked. It is provided that there is a first electrode material (12) for producing the first electrode layer, a material for producing the separation layer and / or a second electrode material (13) for producing the second electrode layer as electrode material wound on a roll (14) Provision of the first electrode layer, the separation layer and / or the second electrode layer is separated by means of ultrasonic cutting or in an ultrasonic assisted punching process using a cutting edge.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung für eine Batterie bei dem eine erste Elektrodenschicht, eine Trennschicht und eine zweite Elektrodenschicht bereitgestellt werden und eine Schichtstruktur gebildet wird, wobei in dieser Reihenfolge die erste Elektrodenschicht, die Trennschicht und die zweite Elektrodenschicht gestapelt werden. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine gemäß dem Verfahren hergestellte Elektrodenanordnung sowie eine Batteriezelle, welche mindestens eine derartige Elektrodenanordnung umfasst.The invention relates to a method for producing an electrode arrangement for a battery in which a first electrode layer, a release layer and a second electrode layer are provided and a layer structure is formed, in which order the first electrode layer, the release layer and the second electrode layer are stacked. Further aspects of the invention relate to an electrode arrangement produced according to the 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 durch die 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. The battery converts chemical reaction energy into electrical energy. 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. Eine solche Lithium-Ionen-Batterie ist beispielsweise aus DE 10 2012 208 316 A1 bekannt. Die Lithium-Ionen-Batterie, umfasst im Wesentlichen eine Kathode, eine Anode, einen zwischen Anode und Kathode angeordneten Separator und einen Ionen-leitenden Elektrolyten. Die Anode umfasst einen Stromableiter, der beispielsweise aus Kupfer besteht und metallisches Lithium als Aktivmaterial.In the prior art, lithium-ion batteries are known, which are characterized by a high energy density. Such a lithium-ion battery is for example off DE 10 2012 208 316 A1 known. The lithium-ion battery essentially comprises a cathode, an anode, a separator arranged between the anode and cathode, and an ion-conducting electrolyte. The anode comprises a current collector, which consists for example of copper and metallic lithium as active material.

Im Stand der Technik sind des Weiteren Batterien bekannt, welche frei von flüssigen Elektrolyten sind. Solche Batteriezellen werden auch Festkörperzellen genannt. Aus DE 10 2014 223 147 A1 ist eine Lithiumzelle bekannt, welche eine Lithium umfassende Anode, eine Schwefel umfassende Kathode und einen Festkörperelektrolyten umfasst. Die Anode kann eine Lithium-Metall-Anode sein, welche beispielsweise metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung als Anodenmaterial aufweist.Furthermore, batteries which are free of liquid electrolytes are known in the state of the art. Such battery cells are also called solid-state cells. Out DE 10 2014 223 147 A1 For example, a lithium cell is known which comprises an anode comprising lithium, a cathode comprising sulfur, and a solid state electrolyte. The anode may be a lithium-metal anode having, for example, metallic lithium or a lithium alloy as the anode material.

In der Batteriefertigung wird das Elektrodenmaterial üblicherweise als auf einer Rolle aufgewickeltes Material angeliefert und dann weiterverarbeitet. Für die Weiterverarbeitung zu einer Elektrode muss das Elektrodenmaterial auf die inneren Abmessungen der Batteriezelle zugeschnitten werden. Bekannte Schneidprozesse für das Verarbeiten der häufig als dünne Metallfolien ausgeführten Elektrodenmaterialien sind das Schneiden mit mechanischen Messern oder Schneiden. Insbesondere bei dem mechanischen Schneiden von Lithiumfolien ist hierbei jedoch problematisch, dass Lithium ein weiches Leichtmetall ist und an der Schneide anhaftet.In battery production, the electrode material is usually supplied as wound on a roll material and then processed. For further processing to an electrode, the electrode material must be cut to the internal dimensions of the battery cell. Known cutting processes for processing the electrode materials, which are often designed as thin metal foils, are cutting with mechanical knives or cutting edges. In particular, in the case of the mechanical cutting of lithium foils, however, the problem here is that lithium is a soft light metal and adheres to the cutting edge.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung für eine Batterie vorgeschlagen. In einem ersten Schritt a) werden eine erste Elektrodenschicht, eine Trennschicht und eine zweite Elektrodenschicht bereitgestellt und in einem zweiten Schritt b) wird eine Schichtstruktur gebildet, wobei in dieser Reihenfolge die erste Elektrodenschicht, die Trennschicht und die zweite Elektrodenschicht gestapelt werden. Dabei ist vorgesehen, dass ein erstes Elektrodenmaterial zur Herstellung der ersten Elektrodenschicht, ein Material zur Herstellung der Trennschicht und/oder ein zweites Elektrodenmaterial zur Herstellung der zweiten Elektrodenschicht als auf einer Rolle aufgewickeltes Material vorliegt, welches zum Bereitstellen der ersten Elektrodenschicht, der Trennschicht und/oder der zweiten Elektrodenschicht mittels Ultraschallschneiden unter Verwendung einer Schneidkante oder in einem ultraschallunterstützten Stanzprozess getrennt wird.A method for producing an electrode arrangement for a battery is proposed. In a first step a), a first electrode layer, a release layer and a second electrode layer are provided and in a second step b) a layer structure is formed, in which order the first electrode layer, the release layer and the second electrode layer are stacked. It is provided that a first electrode material for producing the first electrode layer, a material for producing the separation layer and / or a second electrode material for producing the second electrode layer is present as material wound on a roll, which is used to provide the first electrode layer, the release layer and / or the second electrode layer is separated by means of ultrasonic cutting using a cutting edge or in an ultrasonically assisted punching process.

Der Begriff „trennen“ umfasst insbesondere ein Zuschneiden oder ein Stanzen des jeweiligen auf der Rolle aufgewickelten Materials, um eine zugeschnittene erste Elektrodenschicht, eine zugeschnittene Trennschicht und/oder eine zugeschnittene zweite Elektrodenschicht zu erhalten.In particular, the term "separating" includes cutting or punching the respective material wound on the roll to obtain a cut first electrode layer, a cut separation layer, and / or a cut second electrode layer.

Bei dem ersten Elektrodenmaterial für die erste Elektrodenschicht handelt es sich bevorzugt um ein Material, welches zum Herstellen einer Anode einer Lithium-Batterie und insbesondere zur Herstellung einer Festkörperlithium-Batterie geeignet ist. Das erste Elektrodenmaterial zur Herstellung der ersten Elektrodenschicht ist insbesondere ausgewählt aus einem lithiumhaltigen Material. Bevorzugt handelt es sich bei dem Lithium-enthaltenden Material um metallisches Lithium oder um eine Lithiumlegierung. Das erste Elektrodenmaterial zur Herstellung der ersten Elektrodenschicht liegt bevorzugt in Form einer Folie vor, welche auf einer Rolle aufgewickelt ist. Die Dicke der Folie liegt dabei typischerweise im Bereich von 8 µm bis 20 µm, um eine hohe Energiedichte zu erzielen. Die Anode kann aus einer dünnen Trägerfolie, die wenige µm dick mit metallischem Lithium beschichtet wird, oder aber aus metallischem Lithium hergestellt sein. Bei der Trägerfolie handelt es sich bevorzugt um eine Kupferfolie.The first electrode material for the first electrode layer is preferably a material which is suitable for producing an anode of a lithium battery and in particular for producing a solid-state lithium battery. The first electrode material for producing the first electrode layer is in particular selected from a lithium-containing material. Preferably, the lithium-containing material is metallic lithium or a lithium alloy. The first electrode material for producing the first electrode layer is preferably in the form of a film, which is wound on a roll. The thickness of the film is typically in the range of 8 microns to 20 microns in order to achieve a high energy density. The anode can be made of a thin carrier film, which is coated a few microns thick with metallic lithium, or from metallic lithium. The carrier film is preferably a copper foil.

Das zweite Elektrodenmaterial zur Herstellung der zweiten Elektrodenschicht umfasst bevorzugt ein Interkalationsmaterial für Lithiumionen. Das Interkalationsmaterial für Lithiumionen ist beispielsweise ausgewählt aus einem Lithium-Mangan-Spinell, einem Lithium-Titanat und/oder einem lithiierbaren Übergangsmetalloxid.The second electrode material for producing the second electrode layer preferably comprises an intercalation material for lithium ions. The intercalating material for lithium ions is for example, selected from a lithium manganese spinel, a lithium titanate and / or a lithiierbaren transition metal oxide.

Das zweite Elektrodenmaterial zur Herstellung der zweiten Elektrodenschicht ist insbesondere ein für die Herstellung einer Kathode einer Lithium-Batterie, insbesondere einer Festkörperlithium-Batterie geeignetes Material. Ein für die Herstellung einer Kathode geeignetes Elektrodenmaterial umfasst beispielsweise Kohlenstoff, insbesondere Leitruß. Des Weiteren kann das Kathodenmaterial insbesondere zur Verbesserung der elektrischen oder der Lithiumionenleitfähigkeit weitere Zusätze enthalten. Aus DE 10 2014 223 147 A1 ist ein geeignetes Kathodenmaterial, welches chromdotiertes Lithium-Titanat umfasst, bekannt. Weitere geeignete Kathodenmaterialien umfassen beispielsweise Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide (NCM), Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (NCA) und Lithiumeisenphosphat (LFP). Das Material zur Herstellung der Kathode kann insbesondere ein Verbundwerkstoff umfassen, welcher mindestens ein Lithiumtitanat und mindestens einen Lithiumionenleitenden Festkörperelektrolyten umfasst.The second electrode material for producing the second electrode layer is, in particular, a material suitable for producing a cathode of a lithium battery, in particular a solid-state lithium battery. An electrode material suitable for the production of a cathode comprises, for example, carbon, in particular conductive black. Furthermore, the cathode material may contain other additives, in particular for improving the electrical or the lithium-ion conductivity. Out DE 10 2014 223 147 A1 is a suitable cathode material comprising chromium-doped lithium titanate known. Other suitable cathode materials include, for example, lithium nickel manganese cobalt oxides (NCM), lithium nickel cobalt aluminum oxides (NCA), and lithium iron phosphate (LFP). The material for producing the cathode may, in particular, comprise a composite material which comprises at least one lithium titanate and at least one lithium ion-conducting solid-state electrolyte.

In der hergestellten Elektrodenanordnung werden die erste Elektrodenschicht (Anode) und die zweite Elektrodenschicht (Kathode) durch eine Trennschicht voneinander elektrisch getrennt, wobei Lithiumionen die Trennschicht passieren können. Im Fall der Herstellung einer Elektrodenanordnung für eine Festkörperlithium-Batterie ist die Trennschicht insbesondere als Festkörperelektrolytseparator ausgestaltet.In the manufactured electrode assembly, the first electrode layer (anode) and the second electrode layer (cathode) are electrically separated from each other by a separation layer, and lithium ions can pass through the separation layer. In the case of producing an electrode arrangement for a solid-state lithium battery, the separation layer is configured in particular as a solid-state electrolyte separator.

Als Festkörperelektrolytseparator wird beispielsweise ein Material basierend auf Polyethylenoxideinheiten, auch in Co-Polymeren verwendet. Das Material dient als Elektrolyt und als Separator und wird beispielsweise in einem dem Fachmann bekannten Beschichtungsprozess nass auf eine ebenfalls polymerbasierte Kathode aufgebracht. Alternativ kann das Beschichten auch über lösemittelfreie Verfahren erfolgen.As a solid electrolyte separator, for example, a material based on polyethylene oxide units is also used in co-polymers. The material serves as an electrolyte and as a separator and is applied, for example, in a coating process known to those skilled in the wet on a likewise polymer-based cathode. Alternatively, the coating can also be carried out using solvent-free processes.

Die vorgeschlagene Elektrodenanordnung kann zusätzlich einen Kollektor für die negative Elektrode, einen sogenannten Anodenstromkollektor, und einen Kollektor für die positive Elektrode, einen sogenannten Kathodenstromkollektor, umfassen. Der Kollektor für die negative Elektrode (Anodenstromkollektor) kann beispielsweise aus Kupfer ausgebildet sein. Der Kollektor für die positive Elektrode (Kathodenstromkollektor) kann beispielsweise aus Aluminium ausgebildet sein. Sofern die Elektrodenanordnung derartige Stromkollektoren umfasst, wird eine Schichtstruktur ausgebildet, welche in dieser Reihenfolge den Anodenstromkollektor, die erste Elektrodenschicht, die Trennschicht, die zweite Elektrodenschicht und den Anodenstromkollektor umfasst.The proposed electrode assembly may additionally include a collector for the negative electrode, a so-called anode current collector, and a collector for the positive electrode, a so-called cathode current collector. The collector for the negative electrode (anode current collector) may be formed of copper, for example. The collector for the positive electrode (cathode current collector) may be formed of aluminum, for example. If the electrode arrangement comprises such current collectors, a layer structure is formed, which in this order comprises the anode current collector, the first electrode layer, the separation layer, the second electrode layer and the anode current collector.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird das erste Elektrodenmaterial, das Material für die Trennschicht und/oder das zweite Elektrodenmaterial mittels Ultraschallschneiden oder in einem ultraschallunterstützten Stanzprozess getrennt bzw. zugeschnitten. Beim Ultraschallschneiden erfolgt der Schneidvorgang durch eine hochfrequent mechanisch angeregte Schneidsonotrode oder Klinge. Die Sonotrode bzw. die Klinge führt dabei longitudinale Schwingungen mit einer Frequenz im Ultraschallbereich aus. Die Schneidkante, mit der erste Elektrodenmaterial bzw. das zweite Elektrodenmaterial zugeschnitten wird, ist dabei der Teil der Schneidsonotrode bzw. Klinge, der das zuzuschneidende Material bei dem Schneidvorgang berührt.In the proposed method, the first electrode material, the material for the separating layer and / or the second electrode material is cut by means of ultrasonic cutting or in an ultrasonically assisted punching process. In ultrasonic cutting, the cutting process is performed by a high-frequency mechanically excited cutting sonotrode or blade. The sonotrode or the blade executes longitudinal vibrations with a frequency in the ultrasonic range. The cutting edge, with which the first electrode material or the second electrode material is cut, is thereby the part of the cutting sonotrode or blade which touches the material to be cut in the cutting process.

Beim ultraschallunterstützten Stanzen wird die Sonotrode als ein Stanzwerkzeug ausgestaltet, wobei eine Schneidkante der Sonotrode das jeweilige Material beim Stanzen trennt.In ultrasound-assisted punching the sonotrode is designed as a punching tool, wherein a cutting edge of the sonotrode separates the respective material during punching.

Bevorzugt für die Schneidkante während des Ultraschallschneidens oder während des ultraschallunterstützen Stanzprozesses longitudinale Schwingungen mit einer Frequenz im Bereich von 15 kHz bis 40 kHz aus. Die Amplitude eines solchen Systems kann zwischen 5 µm und 50 µm liegen.Preferably, for the cutting edge during ultrasonic cutting or during the ultrasonic assisted stamping process, longitudinal vibrations having a frequency in the range of 15 kHz to 40 kHz. The amplitude of such a system can be between 5 μm and 50 μm.

Einige Materialien, welche zur Herstellung der ersten bzw. der zweiten Elektrodenschicht eingesetzt werden, können nur unter bestimmten Umgebungsbedingungen verarbeitet werden. Insbesondere Lithium-haltige Elektrodenmaterialien zur Herstellung der ersten Elektrodenschicht reagieren mit Wasser bzw. mit Luftfeuchtigkeit und müssen daher unter völlig trockenen Bedingungen verarbeitet werden. Daher ist es bevorzugt, dass zumindest das Trennen des ersten bzw. zweiten Elektrodenmaterials in einem Bezug auf das Elektrodenmaterial inerten Atmosphäre erfolgt. Werden Lithium-haltige Elektrodenmaterialien verarbeitet, wird bevorzugt eine Argon-Atmosphäre verwendet. Gegebenenfalls kann aber auch das Trennen des Materials zur Herstellung der Trennschicht in einer für dieses Material inerten Atmosphäre erfolgen.Some materials used to make the first and second electrode layers can only be processed under certain environmental conditions. In particular, lithium-containing electrode materials for producing the first electrode layer react with water or with atmospheric moisture and must therefore be processed under completely dry conditions. Therefore, it is preferred that at least the separation of the first and second electrode material takes place in relation to the inert material of the electrode material. When lithium-containing electrode materials are processed, an argon atmosphere is preferably used. Optionally, however, the separation of the material for producing the separating layer can take place in an inert for this material atmosphere.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird beim Ultraschallschneiden die Schneidkante relativ zum Elektrodenmaterial bzw. dem zur Herstellung der Trennschicht verwendeten Material entlang einer zu schneidenden Kontur bewegt. Die zuschneidende Kontur ist dabei von der Form bzw. von den Abmessungen der ersten Elektrodenschicht bzw. der zweiten Elektrodenschicht vorgegebenIn one embodiment of the method, in ultrasonic cutting, the cutting edge is moved relative to the electrode material or the material used to produce the separating layer along a contour to be cut. The cutting contour is predetermined by the shape or by the dimensions of the first electrode layer or the second electrode layer

Alternativ hierzu ist es bevorzugt, beim Trennen ein Stanzwerkzeug zu verwenden, welches die Schneidkante umfasst, wobei die Form der Schneidkante der zu schneidenden Kontur entspricht. Wiederum ist die zu schneidende Kontur durch die Form bzw. Abmessungen der herzustellenden ersten bzw. zweiten Elektrodenschicht vorgegeben.Alternatively, it is preferable to use a punching tool when cutting, which the Cutting edge, wherein the shape of the cutting edge corresponds to the contour to be cut. Again, the contour to be cut is predetermined by the shape or dimensions of the first or second electrode layer to be produced.

Bevorzugt erfolgt eine Bewegung der Schneidkante relativ zu dem zu schneidenden Elektrodenmaterial bzw. dem zu schneidenden Material zur Herstellung der Trennschicht unter Verwendung von elektrischen Aktoren. Ein geeignetes Beispiel für einen derartigen elektrischen Aktor ist ein Linearmotor. Alternativ hierzu kann die Schneidkante über ein robotergeführtes System relativ zum Elektrodenmaterial bewegt werden. Über ein robotergeführtes System sind bevorzugt Bewegungen entlang aller Raumrichtungen möglich.Preferably, a movement of the cutting edge takes place relative to the electrode material to be cut or the material to be cut for producing the separating layer using electrical actuators. A suitable example of such an electrical actuator is a linear motor. Alternatively, the cutting edge can be moved relative to the electrode material via a robot-guided system. Movements along all spatial directions are preferably possible via a robot-guided system.

Die für das Zuschneiden des ersten Elektrodenmaterials, des Materials zur Herstellung der Trennschicht und/oder des zweiten Elektrodenmaterials verwendete Schneidkante ist bevorzugt Teil einer Schneidsonotrode, welche beispielsweise als Messersonotrode, als Klinge, als Guillotine oder als Rotationsschneider ausgestaltet sein kann. Der Rotationsschneider wird als rotierendes Messer verwendet. Die Messersonotrode, die Klinge und die Guillotine sind feststehende Systeme.The cutting edge used for cutting the first electrode material, the material for producing the separating layer and / or the second electrode material is preferably part of a cutting sonotrode, which can be designed, for example, as a measuring probe, as a blade, as a guillotine or as a rotary cutter. The rotary cutter is used as a rotating knife. The Messersonotrode, the sword and the guillotine are fixed systems.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung, welche mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Eine derartige Elektrodenanordnung umfasst in dieser Reihenfolge zumindest eine erste Elektrodenschicht, eine Trennschicht und eine zweite Elektrodenschicht.Another aspect of the invention relates to an electrode assembly made by the described method. Such an electrode arrangement comprises in this order at least a first electrode layer, a separation layer and a second electrode layer.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batteriezelle, welche mindestens eine solche Elektrodenanordnung umfasst. Zusätzlich kann die Batteriezelle insbesondere ein Gehäuse umfassen, welches die Elektrodenanordnung aufnimmt.Furthermore, the invention relates to a battery cell, which comprises at least one such electrode arrangement. In addition, the battery cell can in particular comprise a housing, which accommodates the electrode arrangement.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung wird das erste Elektrodenmaterial, das Material zur Herstellung der Trennschicht und/oder das zweite Elektrodenmaterial unter Verwendung von Ultraschallschneiden oder einem ultraschallunterstützten Stanzprozess getrennt. Hierdurch wird insbesondere im Vergleich zu dem Zuschneiden unter Verwendung von mechanischen Messern und Schneiden die Standzeit der verwendeten Messer erhöht. Insbesondere beim Zuschneiden von Elektrodenmaterialien, welche metallisches Lithium oder Lithiumlegierungen enthalten, ergibt sich bei Verwendung von mechanischen Messern oder Schneiden nämlich das Problem, dass das Lithium ein weiches Leichtmetall ist, welches an der Schneide anhaftet und dadurch die Standzeit des Messers stark verringert. Durch das Ultraschallschneiden wird ein Anhaften deutlich verringert oder sogar vollständig vermieden.In the proposed method of manufacturing an electrode assembly, the first electrode material, the material for producing the separation layer and / or the second electrode material are separated using ultrasonic cutting or an ultrasonically assisted punching process. As a result, in particular compared to the cutting using mechanical knives and cutting the life of the knife used is increased. In particular, when cutting electrode materials containing metallic lithium or lithium alloys, the problem arises when using mechanical knives or blades that the lithium is a soft light metal, which adheres to the blade and thereby greatly reduces the life of the blade. Ultrasonic cutting significantly reduces or even eliminates sticking.

Im Vergleich zu einem Zuschneiden des Elektrodenmaterials unter Verwendung von Laserschneiden wird durch das Ultraschallschneiden die thermische Belastung für die zu schneidende Elektrodenschicht stark verringert. Das zugeschnittene Material weist somit bei der Verwendung von Ultraschallschneiden eine höhere Qualität auf.As compared to cutting the electrode material using laser cutting, ultrasonic cutting greatly reduces the thermal stress on the electrode layer to be cut. The cut material thus has a higher quality when using ultrasonic cutting.

Die mittels Ultraschallschneiden erreichbare höhere Qualität der Schnittkante wirkt sich vorteilhaft auf die Eigenschaften der Elektrodenschicht bezüglich Verformungen und Deformationen aus. Speziell im Randbereich einer Elektrodenschicht können Deformationen oder Partikel zu lokalen Defekten führen, die aufgrund von Kurzschlüssen zu einem Totalausfall der Elektrodenanordnung bzw. der daraus hergestellten Batteriezelle führen können.The achievable by ultrasonic cutting higher quality of the cut edge has an advantageous effect on the properties of the electrode layer with respect to deformation and deformation. Especially in the edge region of an electrode layer deformations or particles can lead to local defects, which can lead to a total failure of the electrode assembly or the battery cell made therefrom due to short circuits.

Durch das Zuschneiden der Elektrodenmaterialien mittels Ultraschallschneiden wird somit die Fertigungsqualität der Elektrodenanordnung gesteigert und die Betriebssicherheit einer daraus hergestellten Batterie bzw. Batteriezelle vorteilhaft gesteigert.By cutting the electrode materials by means of ultrasonic cutting thus the manufacturing quality of the electrode assembly is increased and increased the reliability of a battery or battery cell made therefrom advantageous.

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 Elektrodenanordnung,
  • 2 das Trennen eines Elektrodenmaterials,
  • 3 das Zuschneiden mittels einer Messersonotrode und
  • 4 das Stanzen mit einem Stanzwerkzeug.
Show it:
  • 1 a schematic representation of an electrode assembly,
  • 2 the separation of an electrode material,
  • 3 the cutting by means of a Messersonotrode and
  • 4 punching with a punching tool.

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.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung 10. Die Elektrodenanordnung 10 umfasst in dieser Reihenfolge eine erste Elektrodenschicht 2, eine Trennschicht 4 und eine zweite Elektrodenschicht 6. 1 shows a schematic representation of an electrode assembly 10 , The electrode arrangement 10 includes a first electrode layer in this order 2 , a release layer 4 and a second electrode layer 6 ,

Die Elektrodenanordnung 10 ist bevorzugt zur Verwendung in einer Festkörperzelle eingerichtet. In diesem Beispiel ist die erste Elektrodenschicht 2 als eine Anode ausgestaltet, welche als Lithium-Metallfolie ausgestaltet ist. Bei der Trennschicht 4 handelt es sich um eine elektrisch isolierende und Lithiumionen-leitende Schicht und bei der zweiten Elektrodenschicht 6 handelt es sich um ein Kathodenmaterial, welches Lithiumionen-reversibel ein- und wieder auslagern kann. The electrode arrangement 10 is preferably designed for use in a solid state cell. In this example, the first electrode layer is 2 designed as an anode, which is designed as a lithium metal foil. At the separation layer 4 it is an electrically insulating and lithium-ion-conducting layer and the second electrode layer 6 it is a cathode material, which lithium-ion reversibly on and off again.

In 2 ist schematisch das Trennen eines ersten Elektrodenmaterials 12 dargestellt. Das erste Elektrodenmaterial 12 ist auf einer Rolle 14 aufgewickelt und liegt somit in Form einer aufgewickelten Folie vor. Das erste Elektrodenmaterial 12 wird von der Rolle 14 abgewickelt und einer Ultraschallschneidvorrichtung 22 zugeführt. Durch die Ultraschallschneidvorrichtung 22 wird das erste Elektrodenmaterial 12 getrennt bzw. zugeschnitten, so dass zugeschnittene Elektrodenschichten 18 entstehen. Die zugeschnittenen Elektrodenschichten 18 werden über eine Transportvorrichtung 16 zu den weiteren Verarbeitungsschritten transportiert und nachfolgend in eine Elektrodenanordnung oder mehrere Elektrodenanordnungen 10 (in 2 nicht dargestellt) integriert.In 2 schematically is the separation of a first electrode material 12 shown. The first electrode material 12 is on a roll 14 wound up and thus is in the form of a wound film. The first electrode material 12 gets off the role 14 unwound and an ultrasonic cutter 22 fed. Through the ultrasonic cutting device 22 becomes the first electrode material 12 cut or cut, so that tailored electrode layers 18 arise. The cut electrode layers 18 be via a transport device 16 transported to the further processing steps and subsequently into an electrode arrangement or a plurality of electrode arrangements 10 (in 2 not shown) integrated.

Ein zweites Elektrodenmaterial 13 sowie ein Material zur Herstellung der Trennschicht 4 kann in gleicher Weise zugeschnitten werden.A second electrode material 13 and a material for producing the release layer 4 can be cut in the same way.

Um das Zuschneiden in einer für das erste Elektrodenmaterial 12 bzw. für das zweite Elektrodenmaterial 13 inerten Atmosphäre durchführen zu können, ist die Ultraschallschneidvorrichtung 22 in dem in 2 dargestellten Beispiel in einem Gehäuse 20 aufgenommen. Innerhalb des Gehäuses 20 kann beispielsweise Argon als Inertgas eingesetzt werden.To cut in one for the first electrode material 12 or for the second electrode material 13 To be able to perform inert atmosphere is the ultrasonic cutting device 22 in the 2 illustrated example in a housing 20 added. Inside the case 20 For example, argon can be used as an inert gas.

In 3 ist schematisch das Zuschneiden des ersten Elektrodenmaterials 12 unter Verwendung einer Ultraschallschneidvorrichtung 22 mit einer Messersonotrode 28 dargestellt. Die Messersonotrode 28 ist an der Ultraschallschneidvorrichtung 22 aufgenommen und kann in den drei Raumrichtungen X, Y und Z relativ zu dem ersten Elektrodenmaterial 12 bewegt werden. Die X-Richtung und die Y-Richtung spannen dabei eine Ebene auf, in der das erste Elektrodenmaterial 12 liegt. Die Z-Richtung steht senkrecht zu dieser Ebene. Die Messersonotrode 28 weist ein Messer 32 mit einer Schneidkante 24 auf, wobei die Schneidkante 24 gegen das erste Elektrodenmaterial 12 gedrückt wird. Die Messersonotrode 28 führt dabei longitudinale Schwingungen aus, wobei die Schwingungen parallel zur Z-Richtung ausgeführt werden.In 3 is schematically the cutting of the first electrode material 12 using an ultrasonic cutter 22 with a Messersonotrode 28 shown. The Messersonotrode 28 is at the ultrasonic cutter 22 and can in the three spatial directions X, Y and Z relative to the first electrode material 12 to be moved. The X-direction and the Y-direction thereby span a plane in which the first electrode material 12 lies. The Z direction is perpendicular to this plane. The Messersonotrode 28 has a knife 32 with a cutting edge 24 on, with the cutting edge 24 against the first electrode material 12 is pressed. The Messersonotrode 28 thereby executes longitudinal vibrations, wherein the vibrations are performed parallel to the Z-direction.

Zum Zuschneiden des ersten Elektrodenmaterials 12 wird die Schneidkante 24 der Messersonotrode 28 entlang einer Kontur 26 geführt, so dass die zugeschnittene Elektrodenschicht 18 entsteht, deren Form der Kontur 26, entlang der geschnitten wird, entspricht. Über die Transportvorrichtung 16 wird das erste Elektrodenmaterial 12 dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich transportiert, wobei die Transportrichtung in dem dargestellten Beispiel der Y-Richtung entspricht.For cutting the first electrode material 12 becomes the cutting edge 24 the Messersonotrode 28 along a contour 26 guided so that the tailored electrode layer 18 arises, whose shape is the contour 26 along which is cut corresponds. About the transport device 16 becomes the first electrode material 12 transported continuously or discontinuously, wherein the transport direction in the illustrated example corresponds to the Y direction.

Wiederum kann das zweite Elektrodenmaterial 13 sowie ein Material zur Herstellung der Trennschicht 4 in gleicher Weise zugeschnitten werden.Again, the second electrode material 13 and a material for producing the release layer 4 be cut in the same way.

In 4 ist das Stanzen des ersten Elektrodenmaterials 12 unter Verwendung einer Ultraschallschneidvorrichtung 22 dargestellt, welche ein Stanzwerkzeug 34 umfasst. Das Stanzwerkzeug 34 ist Teil einer Sonotrode 29 der Ultraschallschneidvorrichtung 22. Die Sonotrode 29 führt longitudinale Schwingungen aus, wobei die Richtung der Schwingung parallel zur Z-Achse verläuft. Die Ultraschallschneidvorrichtung 22 umfasst ferner eine Bewegungsvorrichtung 30, mit der das Stanzwerkzeug 34 entlang der Z-Richtung gegen das erste Elektrodenmaterial 12 gepresst werden kann. Die Z-Richtung verläuft Senkrecht zu der Ebene, in der das zu schneidende erste Elektrodenmaterial 12 liegt. Bei einem Pressen des Stanzwerkzeugs 34 gegen das erste Elektrodenmaterial 12 berührt das Stanzwerkzeug 34 das erste Elektrodenmaterial 12 mit dessen Schneidkante 24. Nach einem Ausstanzen der zugeschnittenen Elektrodenschicht 18 aus dem ersten Elektrodenmaterial 12, wird das Elektrodenmaterial 12 sowie die zugeschnittene Elektrodenschicht 18 relativ zu der Ultraschallschneidvorrichtung 22 entlang der Y-Richtung weiterbewegt. Anschließend wird der Schneidvorgang wiederholt.In 4 is the punching of the first electrode material 12 using an ultrasonic cutter 22 shown which a punching tool 34 includes. The punching tool 34 is part of a sonotrode 29 the ultrasonic cutting device 22 , The sonotrode 29 performs longitudinal oscillations, with the direction of the oscillation parallel to the Z axis. The ultrasonic cutting device 22 further comprises a movement device 30 with which the punching tool 34 along the Z-direction against the first electrode material 12 can be pressed. The Z-direction is perpendicular to the plane in which the first electrode material to be cut 12 lies. When pressing the punching tool 34 against the first electrode material 12 touches the punching tool 34 the first electrode material 12 with its cutting edge 24 , After punching the cut electrode layer 18 from the first electrode material 12 , the electrode material becomes 12 as well as the tailored electrode layer 18 relative to the ultrasonic cutting device 22 Moved along the Y direction. Subsequently, the cutting process is repeated.

Wie der schematischen Darstellung der 4 entnommen werden kann, wird bei einem Weitertransport das erste Elektrodenmaterial 12 von der Rolle 14 abgewickelt und die zugeschnittenen Elektrodenschichten 18 werden über die Transportvorrichtung 16 zu den weiteren Fertigungsschritten transportiert, wo diese zu einer oder mehreren Elektrodenanordnungen 10 (in 4 nicht dargestellt) weiterverarbeitet werden.As the schematic representation of 4 can be removed, in a further transport, the first electrode material 12 from the role 14 unwound and the cut electrode layers 18 be about the transport device 16 transported to the further manufacturing steps, where these to one or more electrode arrangements 10 (in 4 not shown).

Das zweite Elektrodenmaterial 13 sowie ein Material zur Herstellung der Trennschicht 4 kann in gleicher Weise getrennt bzw. zugeschnitten werden.The second electrode material 13 and a material for producing the release layer 4 can be separated or cut in the same way.

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.

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Claims (11)

Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenanordnung (10) für eine Batterie, umfassend die Schritte: a. Bereitstellen eines ersten Elektrodenschicht (2), einer Trennschicht (4) und einer zweiten Elektrodenschicht (6), b. Bilden einer Schichtstruktur, wobei in dieser Reihenfolge die erste Elektrodenschicht (2), die Trennschicht (4) und die zweite Elektrodenschicht (6) gestapelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Elektrodenmaterial (12) zur Herstellung der ersten Elektrodenschicht (2), ein Material zur Herstellung der Trennschicht (4) und/oder ein zweites Elektrodenmaterial (13) zur Herstellung der zweiten Elektrodenschicht (6) als auf einer Rolle (14) aufgewickeltes Material vorliegt, welches zum Bereitstellen der ersten Elektrodenschicht (2), der Trennschicht (4) und/oder der zweiten Elektrodenschicht (6) mittels Ultraschallschneiden oder in einem ultraschallunterstützten Stanzprozess unter Verwendung einer Schneidkante (24) getrennt wird.A method of manufacturing an electrode assembly (10) for a battery comprising the steps of: a. Providing a first electrode layer (2), a separation layer (4) and a second electrode layer (6), b. Forming a layered structure, in which order the first electrode layer (2), the separation layer (4) and the second electrode layer (6) are stacked, characterized in that a first electrode material (12) for producing the first electrode layer (2) Material for producing the separating layer (4) and / or a second electrode material (13) for producing the second electrode layer (6) as wound on a roll (14) material is present, which for providing the first electrode layer (2), the separating layer (4 ) and / or the second electrode layer (6) is separated by means of ultrasonic cutting or in an ultrasonically assisted punching process using a cutting edge (24). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Trennen des ersten Elektrodenmaterials (12) und/oder des zweiten Elektrodenmaterials (13) in einer mit Bezug auf das erste Elektrodenmaterial (12) bzw. auf das zweite Elektrodenmaterial (13) inerten Atmosphäre erfolgt.Method according to Claim 1 , characterized in that at least the separation of the first electrode material (12) and / or the second electrode material (13) takes place in an inert with respect to the first electrode material (12) and the second electrode material (13) atmosphere. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkante (24) während des Ultraschallschneidens oder des ultraschallunterstützten Stanzprozesses longitudinale Schwingungen mit einer Frequenz im Bereich von 15 kHz bis 40 kHz ausführt.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the cutting edge (24) performs longitudinal oscillations at a frequency in the range of 15 kHz to 40 kHz during the ultrasonic cutting or the ultrasonically assisted punching process. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Ultraschallschneiden die Schneidkante (24) relativ zum ersten Elektrodenmaterial (12) und/oder relativ zum zweiten Elektrodenmaterial (13) entlang einer zu schneidenden Kontur (26) bewegt wird.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that in the ultrasonic cutting, the cutting edge (24) relative to the first electrode material (12) and / or relative to the second electrode material (13) along a contour to be cut (26) is moved. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem ultraschallunterstützten Stanzprozess ein Stanzwerkzeug (34) verwendet wird, welches die Schneidkante (24) umfasst, wobei die Form der Schneidkante (24) der zu schneidenden Kontur (26) entspricht.Method according to one of Claims 1 to 3 characterized in that in the ultrasonically assisted punching process a punching tool (34) is used which comprises the cutting edge (24), the shape of the cutting edge (24) corresponding to the contour (26) to be cut. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegung der Schneidkante (24) relativ zu dem zu schneidenden ersten Elektrodenmaterial (12) und/oder zweiten Elektrodenmaterial (13) unter Verwendung von Linearmotoren oder über ein robotergeführtes System erfolgtMethod according to one of Claims 1 to 5 characterized in that movement of the cutting edge (24) relative to the first electrode material (12) and / or second electrode material (13) to be cut is performed using linear motors or a robotic system Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenschicht (2) als Anodenschicht bestehend aus dem ersten Elektrodenmaterial (12) ausgestaltet ist, wobei das erste Elektrodenmaterial (12) eine Folie bestehend aus metallischem Lithium oder einer Lithiumlegierung ist.Method according to one of Claims 1 to 6 characterized in that the first electrode layer (2) is designed as an anode layer consisting of the first electrode material (12), wherein the first electrode material (12) is a film consisting of metallic lithium or a lithium alloy. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (4) eine elektrisch isolierende und Lithium-Ionenleitende Schicht ist welche Polyethylenoxid umfasst.Method according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that the separating layer (4) is an electrically insulating and lithium-ion conducting layer which comprises polyethylene oxide. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenschicht (6) als Kathodenschicht bestehend aus dem zweiten Elektrodenmaterial (13) ausgestaltet ist und das zweite Elektrodenmaterial (13) ein Interkalationsmaterial für Lithiumionen umfasst, welches ausgewählt ist aus Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide (NCM), Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (NCA) und Lithiumeisenphosphat (LFP).Method according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that the second electrode layer (6) is configured as a cathode layer consisting of the second electrode material (13) and the second electrode material (13) comprises an intercalation material for lithium ions, which is selected from lithium-nickel-manganese-cobalt oxides ( NCM), lithium nickel cobalt aluminum oxides (NCA) and lithium iron phosphate (LFP). Elektrodenanordnung (10) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.Electrode arrangement (10) produced by a method according to one of Claims 1 to 9 , Batteriezelle umfassend mindestens eine Elektrodenanordnung (10) gemäß Anspruch 10.Battery cell comprising at least one electrode assembly (10) according to Claim 10 ,
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