DE102018200544A1

DE102018200544A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von Folien für Batterien

Info

Publication number: DE102018200544A1
Application number: DE102018200544.3A
Authority: DE
Inventors: Reiner Ramsayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2019-07-18

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum thermischen Fügen eines Folienpaketes (10) aus mehreren, voneinander verschiedene Schmelztemperaturen und Wärmekapazitäten aufweisenden Einzelfolien (12, 52, 54) für einen Elektrodenstapel und auf ein Spannmittel (34). Gemäß dem Verfahren werden zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen:a) Einbringen von Öffnungen (56) in eine Einzelfolie (54) aus einem Material mit höherer Schmelztemperatur,b) Stapeln der gemäß a) vorbehandelten Einzelfolie (54) aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur und mindestens einer weiteren Einzelfolie (52) aus einem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur,c) spaltfreies Verspannen des Folienpaketes (10) mittels eines transparenten Spannmittels (34) und eines Gegenhalters (36),d) Laserbestrahlung (22) des Folienpaketes (10) durch das transparente Spannmittel (34) und Bilden eines Schmelzbades (60) im Bereich einer Öffnung (56) der Einzelfolie (54) aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur,e) Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung (62) der Einzelfolie (54) aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur und dem Schmelzbad (60) durch Kapillarkraft und/oder Schwerkraft.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen von Batterien, insbesondere für Batterien, die eine Vielzahl von Folien sei es aus Aluminium, Kupfer bzw. Kunststoffmaterialien, aufweisen.
Stand der Technik
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 als Akkumulatoren 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.
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 gebunden sein oder auf eine andere Art eine Elektrodeneinheit bilden.
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 Elektrolyten 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 ausgeführt. Aber auch andere Gehäuseformen, beispielsweise kreiszylindrische Bauformen oder auch flexible Pouch-Zellen sind bekannt.
In Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien für elektrische Automobile oder Consumer-Elektronik-Anwendungen werden eine Vielzahl von Batteriefolien miteinander gefügt. Bei diesen Folien handelt es sich um Folien aus Aluminium, Kupfer sowie um Separatorfolien aus verschiedenen Kunststoffmaterialien. In neuen Batteriekonzepten, so zum Beispiel Lithium-Ionen-Batterien sind darüber hinaus auch Folien aus Lithium miteinander zu verbinden.
Die metallischen Folien sind dabei sehr dünn, im Bereich weniger µm bis hinauf zu mehreren 10 µm. Typischerweise liegt die Dicke der metallischen Folien im Bereich zwischen 3 µm bis 30 µm. Die Separatorfolien sind etwas dicker und weisen eine Dicke auf, die mehrere 10 µm beträgt, typischerweise zwischen 20 µm und 60 µm.
Problematisch wirkt sich hierbei aus, dass beim thermischen Fügen der Folien das spaltfreie Spannen zwischen dem Fügeprozess sichergestellt sein muss, um einen stabilen Prozess und eine zuverlässige Verbindung zu erreichen. Insbesondere bei metallischen Folien mit guter Wärmeleitung und hoher thermischer Dehnung, so zum Beispiel Kupfer und Aluminium, stellt dies eine große Herausforderung dar.
Bei den Werkstoffen für neue Batteriezellengenerationen, beispielsweise Zellen, in denen Folien aus Lithium gefügt werden, kommt erschwerend hinzu, dass Lithium sehr weich und verformbar ist und somit die notwendigen Kräfte zum spaltfreien Fügen nur sehr schwer bis zur Fügestelle übertragen werden können. Andererseits ist zu beachten, dass die Folien alleine durch das Zusammenpressen an der Spannstelle an der eigentlichen Fügestelle ausbeulen oder auffächern. Eine weitere Herausforderung des Lithiummaterials ist das Fügen einer Lithiumfolie an Kupfer- bzw. Aluminiumfolien. Hierbei wirken sich die stark unterschiedlichen variierenden mechanischen Festigkeitskennwerte sowie die stark unterschiedlichen Schmelztemperaturen der genannten Werkstoffe nachteilig aus, so dass auch hierfür neue Prozessstrategien gesucht werden müssen.
Aus EP 2 308 633 B1 ist eine Fixiervorrichtung zum Laserschweißen elektrischer Kontakte in photovoltaischen Zellen bekannt. Hier werden dünne metallische Elemente mit einer Dicke zwischen 100 und 200 µm verarbeitet. KR 2012-0118687 offenbart ein Fügeverfahren für dünne Materialien mit einer Temperaturmessung für einen Steuerungslaser.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum thermischen Fügen eines Folienpaketes aus mehreren, voneinander verschiedenen Schmelztemperaturen und Wärmekapazitäten aufweisenden Einzelfolien vorgeschlagen, zur Herstellung eines Elektrodenstapels, wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:

a) Einbringen von Öffnungen in eine Einzelfolie oder einen Folienstapel aus einem Material mit höherer Schmelztemperatur,
b) Stapeln der gemäß a) vorbehandelten Einzelfolie aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur und mindestens einer weiteren Einzelfolie aus einem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur,
c) spaltfreies Verspannen des Folienpaketes mittels eines transparenten Spannmittels und eines Gegenhalters,
d) Laserbestrahlung des Folienpaketes durch das transparente Spannmittel und Bilden einer Schmelze im Bereich einer Öffnung der Einzelfolie aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur,
e) Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung der Einzelfolie aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur und der Schmelze durch Kapillarkraft und/oder Schwerkraft und/oder Beaufschlagung mit Unterdruck.

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann in vorteilhafter Weise eine zuverlässige, artungleiche Verbindung von dünnem Folienmaterial, insbesondere der Werkstoffpaarungen Lithium-Kupfer und/oder Lithium-Aluminium erreicht werden. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren lässt sich insbesondere in Folienform vorliegendes Lithium, welches sehr weich und verformbar ist, spaltfrei fügen und insbesondere zuverlässig mit einer Kupfer- oder Aluminiumfolie verbinden. Die bei bisherigen Fügeverfahren nachteiligen unterschiedlichen mechanischen Festigkeitskennwerte, die stark unterschiedlichen Schmelztemperaturen sowie die unterschiedlichen spezifischen Wärmekapazitäten stellen Parameter dar, denen durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren in besonderer Weise Rechnung getragen werden kann.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden gemäß Verfahrensschritt a) die Öffnungen durch einen mechanischen Stanzprozess, durch einen Ätzprozess oder durch ein Laserschneidverfahren erzeugt.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann gemäß einer ersten Durchführungsvariante bei im Folienpaket obenliegender Einzelfolie aus dem Material mit niedriger Schmelztemperatur in dieser eine Schmelze durch Laserbestrahlung erzeugt werden, welche durch Kapillar-/Schwerkraft in mindestens einer Öffnung eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt.
In einer zweiten Durchführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann bei im Folienpaket obenliegender Einzelfolie aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur im Bereich der Öffnungen durch Laserbestrahlung in der darunterliegenden Folie aus dem Material mit niedrigerem Schmelzpunkt eine Schmelze erzeugt werden, die durch Kapillarkräfte in die Öffnungen hineingezogen wird und dort die stoffschlüssige Verbindung bildet.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, kann die Einzelfolie aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur durch die Laserbestrahlung vorgewärmt werden, so dass die Fließfähigkeit der Schmelze erheblich verbessert werden kann.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, können die Öffnungen als Bohrungen ausgeführt werden, deren Durchmesser zwischen 10 µm und 100 µm liegt und/oder deren Durchmesser die Dicke einer Einzelfolie übersteigt.
Bei der zweiten Durchführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann bei einer Vergrößerung eines Einstrahlungsbereiches der Laserbestrahlung eine Vergrößerung der Schmelze erreicht werden und zusätzlich zur stoffschlüssigen Verbindung eine weitere Verbindung von Oberflächen der aneinander liegenden Einzelfolien erreicht werden, was die mechanische Verbindung verbessert.
Gemäß dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann es sich bei der Einzelfolie aus dem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur um die Lithiumfolie handeln; die Einzelfolie aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur kann eine Cu-Folie sein. Alternativ kann es sich bei der Einzelfolie aus dem Material mit niedriger Schmelztemperatur um eine AI-Folie handeln und bei der Einzelfolie aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur um eine Cu-Folie. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Einzelfolie aus dem Material mit niedriger Schmelztemperatur ein Li-Folie ist und die Einzelfolie aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur eine AI-Folie ist. Die dargestellten Kombinationen können mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren weiter folgend, kann das Folienpaket eine Mehrzahl von Einzelfolien in gestapelter Anordnung enthalten oder das Folienpaket kann Einzelfolien in alternierender Abfolge aufweisen.
Die Öffnungen in der Einzelfolie aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur können neben der Ausführungsmöglichkeit als Bohrungen auch in einer Konizität ausgeführt werden, so dass eine mechanisch besonders belastbare stoffschlüssige Verbindung mit einer darunterliegenden Einzelfolie hergestellt werden kann.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Spannmittel zur Durchführung des vorstehend skizzierten Verfahrens zum thermischen Fügen eines Folienpaketes aus mehreren Einzelfolien, wobei das Spannmittel aus einem transparenten für Laserlicht durchlässigen Material gefertigt ist. Bei dem für Laserlicht durchlässigen Material kann es sich beispielsweise um ein optisches Glas handeln. Es können alle optischen Gläsern verwendet werden, die eine Transparenz für das Laserlicht aufweisen, so zum Beispiel Quarzglas, Flintglas, Borsilikatglas, Kronglas, BK7, oder um Saphir oder eine technische Keramik, insbesondere Spinell®.
Das Spannmittel aus einem transparenten, für Laserlicht durchlässigen Material überdeckt eine Fügestelle oder einen Einstrahlbereich der Laserbestrahlung flächig und liegt auf der Oberseite des zu fügenden Folienpaketes auf. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, im Spannmittel Einsätze aus einem transparenten Material einzusetzen - an den jeweils geeigneten Stellen.
Das Spannmittel kann in einer vorteilhaften Ausführungsvariante vor einer dem Folienpaket zuweisenden Stirnseite eine Struktur aufweisen, die beispielsweise durch Erhebungen oder Vertiefungen gegeben ist. Das derart auf einer Seite strukturierte Spannmittel wirkt mit einem korrespondierend strukturierten Gegenhalter zusammen und bringt die zum flächigen und spaltfreien Fügen der Einzelfolien erforderlichen Spannkräfte in das Folienpaket ein. Zur Ableitung eingeschlossener Luft oder zur Einspülung von Druckluft zum Abtrennen der Folienpakete, kann das Spannmittel und/oder der Gegenhalter mindestens einen Ent- bzw. Belüftungskanal oder Durchlass umfassen.
Darüber hinaus bezieht sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung auf eine Verwendung, insbesondere zur Herstellung von Folienpaketen für Elektrodenanordnungen in Batteriezellen in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Unter Consumer-Elektronik-Produkt sind im vorliegenden Zusammenhang insbesondere Mobiltelefone, Tablet PC's oder Notebooks zu verstehen.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann bei einem thermischen Fügeprozess von Einzelfolien eines Folienpaketes ein spaltfreies Spannen der Einzelfolien erreicht werden, was hinsichtlich der Qualität des hergestellten Folienpaketes qualitätsbestimmend ist. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren wird den unterschiedlichen Eigenschaften bzw. mechanischen Festigkeitskennwerten, den stark unterschiedlichen Schmelztemperaturen der eingesetzten Werkstoffe sowie den von Werkstoff zu Werkstoff unterschiedlichen Wärmekapazitäten Rechnung getragen. Insbesondere lässt sich durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ein stoffschlüssiges Fügen von Einzelfolien aus Lithiummaterial erreichen. Lithium ist von Natur aus sehr weich und verformbar, so dass die notwendigen Kräfte zum spaltfreien Fügen nur sehr schwer bis an die Fügestelle, bzw. den Einstrahlbereich der Laserbestrahlung übertragen werden können.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann hier Abhilfe geschaffen werden und eine mechanische belastbare zuverlässige stoffschlüssige Verbindung erzielt werden.
Durch den Einsatz des aus für Laserlicht transparente Material gefertigten Spannmittels, kann die Fügekraft direkt am Schweißpunkt bzw. an der Fügestelle eingebracht werden. Ein Ausbeulen der Einzelfolien des Folienpaketes bei der Erwärmung wird verhindert und insbesondere kann über die gesamte Prozessdauer die Spaltfreiheit in zuverlässiger Weise beibehalten und gewährleistet werden.
In vorteilhafter Weise und um die Prozesssicherheit zu verbessern, kann die Spannmittelgeometrie so beschaffen sein, dass im Spannmittel und dessen Gegenhalter Kanäle ausgeführt werden, so dass Lufteinschlüsse zwischen den Einzelfolien der miteinander zu fügenden Einzelfolien des Folienpaketes verteilt werden können. Darüber hinaus lässt sich ein einfacheres Entformen nach dem Fügen erreichen. Durch die Kanäle kann ein leichter Druckluftstoß geleitet werden, um etwa ein Anhaften der Folien, insbesondere bei der sehr weichen Lithiumeinzelfolie zu verhindern. Die im Spannmittel und/oder der Gegenhalter aufgeführten Luftkanäle, können jedoch auch mit Unterdruck beaufschlagt werden, so dass ein „Einsaugen“ der Folienschmelze durch die Unterdruckbeaufschlagung in die Öffnungen, die in der Einzelfolie aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur eingebracht sind, unterstützen. Dadurch kann die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Einzelfolien verbessert werden.
In kostengünstiger Weise kann lediglich die obere, von dem Laser bestrahlte Spanngeometrie aus einem lasertransparenten Material gefertigt werden, während der mit diesem zusammenarbeitende Gegenhalter aus einem kostengünstigeren Material gefertigt werden kann, da dieser nicht für Laserbestrahlung transparent sein muss.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, ist nunmehr sichergestellt, dass keine Schmelzetropfen oder Partikel aus dieser, die bei den Fügeprozessen auftreten können, Kurzschlüsse herbeiführen. Dadurch ist die Fertigungsqualität erheblich besser, da der erfindungsgemäß vorgeschlagene Prozess robuster ist. Die Anzahl von auftretenden Partikeln wird im Vergleich zu Fügeprozessen aus dem Stand der Technik erheblich reduziert. Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren tritt kein Schmelzaufwurf auf, wie bei herkömmlichen Füge- insbesondere Schweißprozessen. Dies bedeutet, dass die Bauhöhe des gefügten Folienstapels minimiert ist, da ein andernfalls auftretender Schmelzaufwurf zu einer Bauhöhenvergrößerung beigetragen hätte. Es wird eine großflächige Verbindung zwischen den Einzelfolien des Folienstapels geschaffen, die zu einer großen Kontaktfläche zwischen den beiden Materialien durch hohe Benetzung mit Schmelze dargestellt ist.
Durch ein Verpressen und ein Fügen gemäß des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens gelangen weniger Partikel bzw. Gas an die Umgebung, auch die flüssige Schmelze ist viel reiner und weist einen geringeren Anteil von Oxideinschlüssen auf.
Figurenliste
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:

1, 2 eine sich beim Erwärmen innerhalb des Folienpaketes einstellende Ausbeulung und bisher eingesetzte Spanneinrichtungen für ein Folienpaket aus Einzelfolien,
3 eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Spannvorrichtung und einen Gegenhalter zum Fixieren eines Folienstapels,
4 eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Spannvorrichtung mit einem Gegenhalter, wobei sowohl die Spannvorrichtung als auch der Gegenhalter eine strukturierte Oberfläche aufweist,
5 das thermische Fügen eines Folienpaketes mit obenliegender Einzelfolie aus dem Material mit niedriger Schmelztemperatur,
6 das thermische Fügen zweier Einzelfolien innerhalb eines Folienpaketes mit obenliegender Einzelfolie aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur und
7 eine Ausführungsmöglichkeit der Öffnungen in der Einzelfolie aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur und
8 eine Ausführungsmöglichkeit eines Gegenhalters mit einem zusätzlichen, sich in horizontaler Richtung erstreckenden Kanal.

Den 1 und 2 ist ein Folienpaket 10 zu entnehmen, welches aus einer Anzahl von Einzelfolien 12 in gestapelter Anordnung gebildet ist. Die Einzelfolien 12 des Folienpaketes 10 werden durch ein erstes Spannmittel 14 und ein zweites Spannmittel 16 in vertikale Richtung gespannt. Eine Spannkraft ist durch die Pfeile 18 angedeutet. Zwischen dem ersten Spannmittel 14 und dem zweiten Spannmittel 16 auf der Oberseite des Folienpaketes 10 besteht eine Lücke 20. Die Lücke 20 ermöglicht eine Laserbestrahlung 22 der Oberseite des Folienpaketes 10. Bei einem Energieeintrag durch Laserbestrahlung 22 kommt es zu der in 1 angedeuteten Spaltbildung, aufgrund der Erwärmung der Einzelfolien 12, so dass sich in einzelnen der Einzelfolien 12 Ausbeulungen 24 einstellen.
Der Darstellung gemäß 2 ist zu entnehmen, dass das erste Spannmittel 14 sowie das zweite Spannmittel 16 die Einzelfolien 12 des Folienpaketes 10 mit der Spannkraft 18 beaufschlagen, wobei das Folienpaket 10 mit seiner Unterseite gegen einen flachen Gegenhalter 30 angestellt wird. Durch die Laserbestrahlung 22 wird im Folienpaket 10 ein geschmolzener Bereich 32 erzeugt.
Ausführungsvarianten
3 ist ein erfindungsgemäß vorgeschlagenes Spannmittel, welches mit einem komplementär konfigurierten Gegenhalter zusammenwirkt, zu entnehmen, durch welches ein Folienpaket 10 vorgespannt wird.
Aus der Darstellung gemäß 3 geht hervor, dass das Folienpaket 10 aus Einzelfolien 12 an seiner Oberseite mit der Spannkraft 18 beaufschlagt wird, die durch ein sich flächig über die Oberseite des Folienpaketes 10 erstreckendes transparentes Spannmittel 34 erzeugt wird. In der in 3 dargestellten Ausführungsvariante des transparenten Spannmittels 34, erstreckt sich dies flächig über die Oberseite des Folienpaketes 10. Das transparente Spannmittel 34 ist aus einem für Laserstrahlung durchlässigen Material, wie beispielsweise BK7, Saphir oder einer Keramik, wie beispielsweise Spinell® gefertigt. Das transparente Spannmittel 34 wirkt mit einem ebenfalls eine flächige Oberseite aufweisenden Gegenhalter 36 zusammen, der durch die Spannkraft 18 beaufschlagt ist. Eine erste Kontaktfläche 40 des transparenten Spannmittels 34 und eine zweite Kontaktfläche 42 des Gegenhalters 36 fixieren das Folienpaket 10. Gestrichelt sind in der Ausführungsvariante des transparenten Spannmittels 34 gemäß 3 Entlüftungsdurchlässe 44 angedeutet. Diese können als Bohrungen, Schlitze oder Spalten ausgeführt sein und dienen der Ableitung von beispielsweise zwischen den Einzelfolien 12 eingeschlossener Luft. Daneben besteht die Möglichkeit, die Entlüftungsdurchlässe 44 auch mit Druckluft zu beaufschlagen, um beispielsweise eine relativ weiche, aus Lithium gefertigte Einzelfolie 12 vom transparenten Spannmittel 34 oder vom Gegenhalter 36 zu trennen. Da die Laserbestrahlung 22 durch das transparente Spannmittel 34 erfolgt, kann der mit dem transparenten Spannmittel 34 zur Fixierung der Einzelfolien 12 des Folienpaketes 10 eingesetzte Gegenhalter 36 aus einem kostengünstigeren Material hergestellt werden, an welches nicht die Anforderung einer Durchlässigkeit für Laserbestrahlung 22 gestellt wird. Das transparente Spannmittel 34 kann auch derart beschaffen sein, dass diese Einsätze aus einem transparenten Material umfasst, die sich an den entsprechend erforderlichen Stellen im Spannmittel 34 befinden. Als Materialien bzw. Einsätze, mit denen das transparente Spannmittel 34 dargestellt werden kann, kann beispielsweise ein optisches Glas wie BK7 (Borsilikat) eingesetzt werden. Auch optische Gläser wie zum Beispiel Quarzglas, Flintglas und Kronglas können eingesetzt werden, die eine entsprechende Transparenz für die Wellenlänge des Lasers aufweisen.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Laserbestrahlung 22 innerhalb eines Einstrahlbereiches 38 auf die Oberseite des Folienpaketes 10 auftrifft.
Der Darstellung gemäß 4 ist eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen transparenten Spannmittels 34 zu entnehmen, welches mit dem Gegenhalter 36 zusammenwirkt.
Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass das transparente Spannmittel 34, gefertigt aus einem für Laserbestrahlung 22 durchlässigen Material wie beispielsweise BK7 (Borsilikat), Saphir, Quarzglas, Flintglas, Kronglas oder Spinell® gefertigt ist und eine strukturierte Seite 46 aufweist. Die strukturierte Seite 46 kann beispielsweise - wie in 4 dargestellt - eine Abfolge von Erhebungen 48 und Vertiefungen 50 aufweisen. Demzufolge ist der Gegenhalter 36 mit einer korrespondierenden Struktur versehen. Die strukturierte Seite 46 des transparenten Spannmittels 34 und die korrespondierend strukturierte Oberseite des Gegenhalters 36 ermöglichen in vorteilhafter Weise eine Ausbildung eines Einstrahlbereiches 38, ein spaltfreies Verspannen der Einzelfolie 12 im Folienpaket 10. Durch die strukturierten Seiten 46, 47 von transparentem Spannmittel 34 und des Gegenhalters 36 wird Raum für Toleranzausgleich oder Bewegung gegeben.

Anhand der 5 und 6 wird das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zum thermischen Fügen des Folienpaketes 10 anhand von dünnen Folien 52, 54 näher beschrieben.

Stoff	Schmelztemperatur	Siedetemperatur	Wärmekapazität	Härte Mohs
Lithium (Li)	180°C	1330°C	3480 J/kgK	0,6
Alumini um (Al)	660°C	2470°C	890 J/kgK	2,7
Kupfer (Cu)	1080°C	2600°C	385 J/kgK	3,0

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren wird anhand mindestens einer Folie 52 aus einem Material mit niedriger Schmelztemperatur und einer Folie 54 aus einem Material mit höherer Schmelztemperatur beschrieben. Bei den Folien 52, 54 kann es sich um solche aus Lithium, Kupfer oder um Aluminium handeln; Materialien, die bei der Herstellung von Batteriezellen eingesetzt werden. Die Dicke der nachfolgend näher beschriebenen Einzelfolien 52 bzw. 54 liegt zwischen 3 µm und 30 µm. Es ist auch denkbar, dass Einzelfolien 52 bzw. 54 eingesetzt werden, wobei vorzugsweise die untenliegenden der Einzelfolien 52, bzw. 54 durch einen Stromableiter ersetzt wird. Dieser Stromableiter kann eine Dicke zwischen 30 µm und 300 µm, vorzugsweise zwischen 300 und 1500 µm aufweisen. Damit wird eine Außenkontaktierung der Folienstapel realisierbar. Die in einem derart ausgebildeten Stromableiter eingebrachten Löcher liegen im Bereich der Blechdicke des Ableiters zwischen 30 µm und 3000 µm.
Zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden in die Einzelfolie 54 aus einem Material mit höherer Schmelztemperatur, in 5 untenliegend Kupfer, über einen geeigneten Vorprozess Öffnungen 56 eingebracht. Bei diesen Öffnungen handelt es sich beispielsweise um Bohrungen mit einem Durchmesser weniger 10 µm. Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, die Öffnungen 56 so auszubilden, dass deren Durchmesser größer als die Dicke der Einzelfolie 54 aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur ist. Der Durchmesser von als Bohrungen ausgeführten Öffnungen 56 liegt im Bereich zwischen 10 µm und 100 µm und übersteigt die Dicke der Einzelfolie 54. Die Öffnungen können durch einen mechanischen Stanzprozess, einen Ätzprozess oder einen Laserprozess in einem beliebigen Schritt innerhalb der Prozesskette vor dem Fügen des Folienpaketes 10 eingebracht werden.
Beim thermischen Fügen wird wie in 5 dargestellt, die Einzelfolie 52 aus einem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur, beispielsweise Lithium und die Einzelfolie 54 aus einem Material mit höherer Schmelztemperatur, beispielsweise Kupfer übereinander gestapelt, wie in 5 dargestellt. Aus 5 geht hervor, dass bei obenliegender Einzelfolie 52 aus dem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur oberhalb der Öffnung 56 Energie eingetragen, beispielsweise eine Laserbestrahlung 22 vorgenommen wird. Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden dargestellten Einzelfolien 52 aus dem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur und die Einzelfolie 54 aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur über das in 3 dargestellte transparente Spannmittel 34 und den Gegenhalter 36 spaltfrei fixiert. Durch den Energieeintrag via Laserbestrahlung 22 in die obenliegende Einzelfolie 52 aus dem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur wird ein Schmelzbad 60 erzeugt, wie in 5 dargestellt. Dieses Schmelzbad 60 gelangt über Kapillareffekte oder einer durch die Schwerkraft ausgeübte Zugwirkung 63 in die Öffnung 56 und bildet mit deren Rand 58 eine stoffschlüssige Verbindung 62. Die hohe Wärmekapazität des Materials der Einzelfolie 52 mit niedrigerer Schmelztemperatur, beispielsweise Lithium und dessen Schmelzbad 60, bewirkt dabei in vorteilhafter Weise, dass genügend Energie zur Bildung einer zuverlässigen stoffschlüssigen Verbindung 62 zwischen Lithium und Kupfer entsteht.
6 zeigt das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren jedoch mit dem Unterschied zur Durchführungsmöglichkeit gemäß 5 mit einer obenliegenden Einzelfolie 54 aus einem Material mit höherer Schmelztemperatur, beispielsweise Kupfer. An der Stelle oberhalb der Öffnung 56 erfolgt eine Laserbestrahlung 22, so dass sich, wie in 6 dargestellt, in dem unterhalb der Öffnung 56 angeordneten Bereich der Einzelfolie 52 aus dem Material mit niedrigerem Schmelzpunkt ein Schmelzbad 60 bildet. Durch den Energieeintrag in die untenliegende Einzelfolie 52 aus dem Material mit niedrigerem Schmelzpunkt, wird die Schmelze des Schmelzbades 60 durch Kapillareffekte, angedeutet durch die Zugwirkung 64, aufgrund der Kapillarkraft in die Öffnung 56 hineingezogen und steigt an deren Rand 58 in vertikale Richtung nach oben hoch. Vorteilhaft hierbei ist der Umstand, dass auch das Material der Einzelfolie 54 mit höherer Schmelztemperatur, beispielsweise Kupfer, ebenfalls erwärmt wird. Dies ist infolge der geringeren Wärmekapazität des Materials der Einzelfolie 54 mit höherer Schmelztemperatur und dessen höherliegendem Schmelzpunkt einfach und reproduzierbar im Prozess darstellbar. Aufgrund der Erwärmung der die Einzelfolie 52 aus dem Material mit niedriger Schmelztemperatur überdeckenden Einzelfolie 54 aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur, wird besonders leicht aufgrund der Oberflächenspannung an die heißere Oberfläche angelegt und in die Öffnung 56 hineingezogen.
In 6 ist bei der in der Mitte der Figur liegenden Öffnung 56 die Verteilung der Schmelze aus dem Schmelzbad 60 zur Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung 62 im Endstadium dargestellt. Eine weitere Durchführungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, in der Einzelfolie 52 aus dem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur ein größeres Schmelzbad 60 zu erzeugen. Dadurch ergibt sich neben der stoffschlüssigen Verbindung 62 innerhalb der Öffnung 56 über die Kapillareffekte und/oder Oberflächenspannungseffekte zusätzlich eine weitere stoffschlüssige Verbindung 74. Diese weitere stoffschlüssige Verbindung 74 entsteht zwischen einer ersten Oberfläche 70 der Einzelfolie 52 aus dem Material mit niedriger Schmelztemperatur und einer zweiten Oberfläche 72 der darüber liegenden Einzelfolie 54 aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur.
Werden die in 6 dargestellten, innerhalb des Folienpaketes 10 miteinander zu fügenden Einzelfolien 52 aus dem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur und der Einzelfolie 54 aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur mit den in 3 und 4 dargestellten Spannmitteln, nämlich dem transparenten Spannmittel 34 und dem Gegenhalter 36 spaltfrei verspannt, kann neben der stoffschlüssigen Verbindung 62 in der Öffnung 56 auch eine weitere flächig ausgebildete stoffschlüssige Verbindung 74 zwischen den Oberflächen 70 und 72 erzeugt werden. Durch die spaltfreie Verspannung, die durch den in 3 und 4 dargestellten Gegenhalter 36 erzeugt wird, kann eine gleichmäßige Krafteinleitung direkt am Einstrahlungsbereich 38 erreicht werden.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können neben der in 5 und 6 dargestellten Kombination Lithium/Kupfer auch Al/Cu-Folien bzw. Li/AI-Folien stoffschlüssig gefügt werden. Es ist weiterhin denkbar, mehrere der Einzelfolien 52 bzw. 54 auf diese Art zu stapeln und damit mehrere Folienlagen mit einem Prozessschritt thermisch miteinander zu fügen. Neben Sandwich-Strukturen sind ebenfalls Sandwich-Strukturen denkbar, bei denen die Abfolge der Folien im Folienpaket 10 alternierend ist.
Anhand der 7 ist dargestellt, dass die Öffnungen 56 in der Einzelfolie 54 aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur eine Konizität 68 aufweisen können. Durch die Konizität 68 werden beim thermischen Fügen zusätzliche Verkrallungseffekte wirksam, die zu einer höheren mechanischen Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung 62 führen und/oder zu einer vergrößerten Kontaktfläche zwischen den beiden Materialien der Einzelfolien 52 aus dem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur und der Einzelfolie 54 aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur.
8 zeigt eine Ausführungsvariante eines Gegenhalters mit einem sich in horizontale Richtung erstreckenden Kanal.
Wie aus 8 hervorgeht, ist in dieser Ausführungsvariante der Gegenhalter 36 mit einem Kanal 76 versehen, der zumindest eine Saugöffnung 78 aufweist. Wie 8 zeigt, befindet sich die Saugöffnung 78 in vorteilhafter Weise unterhalb der Öffnung 56, die sich in der Folie 54 befindet, deren Material eine höhere Schmelztemperatur aufweist. Durch die Beaufschlagung des Kanales 76 mit Unterdruck, kann das Verfließen der Schmelze ein Anschmelzen der Folie 52 aus Material mit niedriger Schmelztemperatur unterstützt und die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung 62 zwischen den Einzelfolien 52 bzw. 54 nochmals verbessert werden.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2308633 B1 [0009]
KR 20120118687 [0009]

Claims

Verfahren zum thermischen Fügen eines Folienpaketes (10) aus mehreren, voneinander verschiedene Schmelztemperaturen und Wärmekapazitäten aufweisenden Einzelfolien (12, 52, 54) für einen Elektrodenstapel mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Einbringen von Öffnungen (56) in eine Einzelfolie (54) oder einen Folienstapel aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur, b) Stapeln der gemäß a) vorbehandelten Einzelfolie (54) aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur und mindestens einer weiteren Einzelfolie (52) aus einem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur, c) spaltfreies Verspannen des Folienpaketes (10) mittels eines transparenten Spannmittels (34) und eines Gegenhalters (36), d) Laserbestrahlung (22) des Folienpaketes (10) durch das transparente Spannmittel (34) und Bilden eines Schmelzbades (60) im Bereich einer Öffnung (56) der Einzelfolie (54) aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur, e) Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung (62) der Einzelfolie (54) aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur und dem Schmelzbad (60) durch Kapillarkraft und/oder Schwerkraft oder durch Beaufschlagung mit Unterdruck.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt a) die Öffnungen (56) durch einen mechanischen Stanzprozess, durch einen Ätzprozess oder durch Laserprozess erzeugt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer im Folienpaket (10) obenliegenden Einzelfolie (52) aus dem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur in dieser ein Schmelzbad (60) durch Laserbestrahlung (22) erzeugt wird, welches durch Kapillar-/Schwerkraft und/oder Unterdruckbeaufschlagung in mindestens einer Öffnung (56) eine stoffschlüssige Verbindung (62) erzeugt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer im Folienpaket obenliegenden Einzelfolie (54) aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur im Bereich der Öffnung (56) durch Laserbestrahlung (22) in der darunterliegenden Folie (52) aus dem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur ein Schmelzbad (60) erzeugt wird und die Schmelze durch Kapillarkräfte in die Öffnungen (56) hineingezogen wird und eine stoffschlüssige Verbindung (62) bildet.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfolie (54) aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur durch die Laserbestrahlung (22) vorgewärmt wird zur Verbesserung der Fließeigenschaften der Schmelze.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (56) als Bohrungen ausgeführt werden, deren Durchmesser zwischen 10 µm und 100 µm liegt und/oder die Dicke einer Einzelfolie (12, 52, 54) übersteigt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Vergrößerung eines Einstrahlbereiches (38) der Laserbestrahlung (22) eine Vergrößerung des Schmelzbades (60) entsteht und zusätzlich zur stoffschlüssigen Verbindung (62) eine Verbindung (54) von Oberflächen (70, 72) der aneinander liegenden Einzelfolien (52, 54) erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfolie (52) aus dem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur eine Lithiumfolie ist und die Einzelfolie (54) aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur eine Cu-Folie ist, oder die Einzelfolie (52) aus dem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur eine AI-Folie ist und die Einzelfolie (54) aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur eine Cu-Folie ist, oder die Einzelfolie (52) aus dem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur eine Li-Folie ist und die Einzelfolie (54) aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur eine AI-Folie ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Einzelfolien (12, 52, 54) als Folienpaket (10) gestapelt angeordnet ist, oder die Einzelfolien (12, 52, 54) in alternierender Abfolge im Folienpaket (10) angeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die als Bohrungen ausgeführten Öffnungen (56) in einer Konizität (68) ausgeführt sind.
Spannmittel (34) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zum thermischen Fügen eines Folienpaketes (10) aus mehreren Einzelfolien (12, 52, 54), dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmittel (34) aus einem transparenten, für Laserlicht durchlässigen Material gefertigt ist.
Spannmittel (34) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein optisches Glas, so zum Beispiel Quarzglas, BK7 (Borsilikat), Flintglas, Kronglas oder eine technische Keramik, insbesondere Spinell® ist.
Spannmittel (34) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmittel (34) eine Fügestelle (38) oder einen Einstrahlbereich (38) der Laserstrahlung überbrückt und flächig die Oberseite des zufügenden Folienpaketes (10) überdeckt.
Spannmittel (34) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine dem Folienpaket (10) zuweisende strukturierte Seite (46) aufweist, die Erhebungen (48) und Vertiefungen (50) aufweist und mit einem korrespondierend strukturierten Gegenhalter (36) zusammenwirkt.
Spannmittel (34) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses und/oder der Gegenhalter (36) mindestens einen Entlüftungskanal (44) umfasst.
Spannmittel (34) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenhalter (36) mindestens einen sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckenden Kanal (76) umfasst, der mindestens eine Saugöffnung (78) umfasst, der sich unterhalb einer Öffnung (56) in der Einzelfolie (54) aus dem Material mit höherer Schmelztemperatur befindet.
Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zum thermischen Fügen von Einzelfolien (12, 52, 54), insbesondere von Batteriefolien, bei der Herstellung von Elektrodenanordnungen für Batteriezellen in einem Elektrofahrzeug (EV), Hybridfahrzeug (HEV) oder Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) sowie in Consumer-Elektronik-Komponenten.