DE102018207649A1 - Device for the electrochemical machining of components of a battery cell, method for operating the same and their use - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen, insbesondere lithiumhaltigen Batteriezellen, beschrieben mit einer Aufnahmevorrichtung (12) für eine reversible Aufnahme eines zu beschichtenden Substrats (14) und mit einer Beschichtungsvorrichtung (16), wobei die Beschichtungsvorrichtung (16) einen durch Wandungen begrenzten Beschichtungsmittel (18) führenden Hohlraum (20) umfasst, und wobei zumindest ein Teil der Wandungen zumindest teilweise durch eine elektrisch kontaktierte Elektrode (26, 26a, 26b, 28) gebildet ist.The invention relates to a device for producing components for battery cells, in particular lithium-containing battery cells, comprising a receiving device (12) for reversibly receiving a substrate (14) to be coated and a coating device (16), the coating device (16) passing through walls and wherein at least a part of the walls is formed at least partially by an electrically contacted electrode (26, 26a, 26b, 28).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung von Komponenten einer Batteriezelle sowie auf ein Verfahren zum Betrieb derselben und deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The present invention relates to a device for electrochemical machining of components of a battery cell and to a method of operating the same and their use according to the preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

Zur Speicherung elektrischer Energie werden üblicherweise Batterien eingesetzt. Bei diesen unterscheidet man sogenannte Primärbatterien, die nur einmal geladen werden können und sogenannte Sekundärbatterien, die mehrfach aufladbar sind. Üblicherweise umfassen derartige Batterien eine Mehrzahl einzelner Batteriezellen. Im Bereich sekundärer Batteriezellen, auch Akkumulatoren genannt, finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich u. a. durch eine hohe Energiedichte, eine gute thermische Stabilität sowie eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Akkumulatoren auf der Basis von Lithium-Ionen-Batteriezellen finden somit u. a. Anwendung in Kraftfahrzeugen wie insbesondere Elektrofahrzeugen (electric vehicle, EV), in Hybridfahrzeugen (hybrid electric vehicle, HEV) sowie in Plugin-Hybridfahrzeugen (plug-in hybrid electric vehicle, PHEV).Batteries are usually used to store electrical energy. With these one differentiates so-called primary batteries, which can be loaded only once and so-called secondary batteries, which are several times rechargeable. Typically, such batteries include a plurality of individual battery cells. In the area of secondary battery cells, also called accumulators, especially so-called lithium-ion battery cells are used. These are u. a. by a high energy density, a good thermal stability and an extremely low self-discharge. Accumulators based on lithium-ion battery cells thus find u. a. Application in motor vehicles such as in particular electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV) and plug-in hybrid electric vehicles (PHEV).

Lithium-Ionen-Batteriezellen umfassen jeweils eine Kathode als positive Elektrode sowie eine Anode als negative Elektrode. Beide Elektroden umfassen jeweils einen metallischen Stromableiter, an oder auf dem ein elektrochemisches Aktivmaterial aufgebracht ist, an dessen Oberfläche die der elektrischen Stromspeicherung zugrundeliegenden elektrochemischen Prozesse ablaufen. So werden für Kathoden üblicherweise als Aktivmaterial Metalloxide eingesetzt. Für Anoden werden heute üblicherweise kohlenstoffhaltige Aktivmaterialien wie Graphit oder amorpher Kohlenstoff (hard carbon) eingesetzt oder auch Silizium oder ein Lithium-Titanat. Wird metallisches Lithium als Elektrodenmaterial verwendet, so dient dieses geichzeitig als Stromableiter.Lithium-ion battery cells each comprise a cathode as a positive electrode and an anode as a negative electrode. Both electrodes each comprise a metallic current conductor, on or on which an electrochemical active material is applied, on the surface of which run the electrical current storage underlying electrochemical processes. For example, metal oxides are usually used as active material for cathodes. For anodes today usually carbonaceous active materials such as graphite or amorphous carbon (hard carbon) are used or silicon or a lithium titanate. If metallic lithium is used as the electrode material, then this serves as a current conductor geichzeitig.

Neuere Entwicklungen zielen auf die Verwendung von Lithium-Metall als Aktivmaterial der Anode. Als Separator derartiger lithiummetallhaltiger Batteriezellen werden insbesondere feste Elektrolytmaterialien eingesetzt. Diese unterstützen bei einem Abscheiden von Lithium beispielsweise beim Laden der Batteriezelle eine flächig ebene Abscheidung metallischen Lithiums im Bereich der Anode und verhindern, dass Lithium in Form von Dendriten aufwächst. Dafür werden überwiegend steife, insbesondere polymere Festelektrolyte mit einer Submikro- oder Nanostruktur eingesetzt. Diese sind auch bei Betriebstemperaturen einer derartigen Batteriezelle im Bereich von ca. 80°C in der Lage, eine entsprechende mechanische Unterstützung der aus Lithiummetall gebildeten Anode zu leisten. Typische verwendete Polymerelektrolyte, beispielsweise auf Polyethylenoxid-Basis (PEO) sind bei Temperaturen oberhalb dieser Betriebstemperaturen flüssig. Ab 180°C ist Lithium in metallischer Form jedoch selbst flüssig und ein in diesem Bereich ebenfalls flüssiger Separator kann dann den Kontakt zwischen dem verwendeten Lithium und einer Kathode der Batteriezelle nicht verhindern. Dies würde zu sicherheitskritischen Zuständen in der Batteriezelle führen.Recent developments are aimed at the use of lithium metal as the active material of the anode. As a separator of such lithium metal-containing battery cells in particular solid electrolyte materials are used. These support in a deposition of lithium, for example, when charging the battery cell a flat level deposition of metallic lithium in the anode and prevent lithium grows up in the form of dendrites. For this purpose, predominantly rigid, in particular polymeric, solid electrolytes with a submicron or nanostructure are used. Even at operating temperatures of such a battery cell in the range of approximately 80 ° C., these are capable of providing a corresponding mechanical support for the anode formed of lithium metal. Typical polymer electrolytes used, for example polyethylene oxide (PEO) based, are liquid at temperatures above these operating temperatures. However, starting from 180 ° C., lithium in metallic form is itself liquid and a separator which is likewise liquid in this area can not prevent the contact between the lithium used and a cathode of the battery cell. This would lead to safety-critical conditions in the battery cell.

Derartige Festelektrolytzellen haben weiterhin den Vorteil, dass auf die Verwendung organischer Lösungsmittel verzichtet werden kann. Diese stellen insbesondere bei höheren Temperaturen ein Sicherheitsrisiko dar, da sie in diesem Bereich zur Zersetzung neigen bzw. zündfähig sind. Darüber hinaus neigen diese zu chemischen Reaktionen mit Elektroden, welche metallisches Lithium enthalten.Such solid electrolyte cells also have the advantage that it is possible to dispense with the use of organic solvents. These represent a safety risk, especially at higher temperatures, since they tend to decompose in this area or are flammable. In addition, these tend to chemical reactions with electrodes containing metallic lithium.

Voraussetzung ist allerdings, dass derartige Lösungsmittel nach dem Herstellen der entsprechenden Komponenten einer Batteriezelle ausreichend sorgfältig entfernt werden. Üblicherweise werden für derartige Trocknungsprozesse erhöhte Temperaturen bzw. ein Unterdruck eingesetzt. Weiterhin können derartige Komponenten einer Batteriezelle mit einem entsprechenden Gasstrom eines lösungsmittelfreien Gases beaufschlagt werden, um den Stoffübergangskoeffizient zwischen zu trocknender Batteriezellkomponente und Umgebung zu erhöhen. Bei Anwendung dieser Methodik steigt allerdings der Aufwand, um geringe Restkonzentration an Lösungsmitteln aus den gefertigten Batteriezellkomponenten zu entfernen, überproportional an je geringer die Beladung der herzustellenden Batteriezellkomponenten mit Restlösungsmittel ist.The prerequisite is, however, that such solvents are sufficiently carefully removed after the preparation of the corresponding components of a battery cell. Usually, elevated temperatures or a reduced pressure are used for such drying processes. Furthermore, such components of a battery cell can be charged with a corresponding gas stream of a solvent-free gas in order to increase the mass transfer coefficient between the battery cell component to be dried and the environment. When using this method, however, the effort to remove low residual concentration of solvents from the fabricated battery cell components increases disproportionately to the lower the loading of the battery cell components to be produced with residual solvent.

Diesbezüglich ist aus der US 2016/344080 eine Metall-Luft-Batterie bekannt, bei der die der Batterie zugeführte Luft vor dem Eintritt über eine Reinigungseinheit gereinigt wird. Die Reinigung erfolgt durch die Absorption von Verunreinigungen. Auf diese Weise kann beispielsweise Wasser aus der zugeführten Luft entfernt werden.In this regard is from the US 2016/344080 a metal-air battery is known in which the air supplied to the battery is cleaned before entering via a cleaning unit. The cleaning is done by the absorption of impurities. In this way, for example, water can be removed from the supplied air.

Weiterhin ist aus der US 2012/106017 eine Überwachungsvorrichtung in einer Kraftfahrzeugbatterie bekannt, die beispielsweise den Wassergehalt innerhalb der Batterie bestimmt. Auf diese Weise können sicherheitskritische Zustände vermieden werden.Furthermore, from the US 2012/106017 a monitoring device in a motor vehicle battery known, for example, determines the water content within the battery. In this way, safety-critical conditions can be avoided.

Die Herstellung von Batteriezellen, bzw. von Elektroden und Separatoren von Batteriezellen erfolgt üblicherweise mit Hilfe von Lösungsmitteln, wobei beispielsweise entsprechende Suspensionen oder Slurries auf ein entsprechendes Substrat aufgebracht und anschließend getrocknet werden. Der Betrieb derartiger Batteriezellen setzt jedoch voraus, dass im Inneren derselben nur noch sehr geringe Mengen an Lösemittelrückständen und Wasser existiert. Daher werden zum gegenwärtigen Zeitpunkt die dabei erzeugten Beschichtungen zum Teil einem aufwändigen Trocknungsprozess unterzogen. Eine Alternative dazu stellt die Verwendung von lösungsmittelfreien Prozessen zur Herstellung von Elektroden und Separatoren für Batteriezellen dar. Wird beispielsweise eine entsprechende Elektrode mittels eines solchen Trockenverfahrens hergestellt, so wird beispielsweise ein Gemisch eines Elektrolyten mit einem Elektrodenaktivmaterial ohne Verwendung eines Lösungsmittels in einen fließfähigen Zustand gebracht und anschließend auf ein entsprechendes Substrat aufgetragen. Eine ähnliche Verfahrensweise ist auch bei der Herstellung von Separatoren oder Festelektrolyten möglich. In diesem Fall enthalten die resultierenden Elektroden bzw. Separatoren zwar keine Lösungsmittelrückstände, es ist aber weiterhin mit geringen Mengen an Wasser zu rechnen, die im Material der Elektrode bzw. des Separators gebunden sind. Auch diese sind letztlich nur schwer zu entfernen.The production of battery cells, or of electrodes and separators of battery cells is usually carried out with the aid of solvents, for example, appropriate suspensions or slurries are applied to a corresponding substrate and then dried. Of the Operation of such battery cells requires, however, that in the interior thereof only very small amounts of solvent residues and water exists. Therefore, at the present time, the coatings produced in this case are sometimes subjected to a complex drying process. An alternative to this is the use of solvent-free processes for the production of electrodes and separators for battery cells. For example, if a corresponding electrode is produced by such a dry process, for example, a mixture of an electrolyte with an electrode active material is brought into a flowable state without using a solvent then applied to a corresponding substrate. A similar procedure is also possible in the production of separators or solid electrolytes. In this case, the resulting electrodes or separators contain no solvent residues, but it is still expected to be small amounts of water, which are bound in the material of the electrode or the separator. These are ultimately difficult to remove.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen, ein Verfahren zum Betrieb derselben sowie deren Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen.According to the invention, a device for producing components for battery cells, a method for operating the same and their use with the characterizing features of the independent claims are proposed.

Dementsprechend ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen, insbesondere für lithiumhaltige Batteriezellen, vorgesehen, welche neben einer Aufnahmevorrichtung zur reversiblen Aufnahme eines zu beschichtenden Substrats weiterhin eine Beschichtungsvorrichtung umfasst. Diese umfasst einen Hohlraum zur Führung eines Beschichtungsmittels. Der Hohlraum selbst ist durch Wandungen begrenzt, wobei zumindest ein Teil der Wandungen zumindest teilweise durch eine Elektrode gebildet ist. Die Elektrode ist elektrisch kontaktiert, so dass innerhalb des Hohlraums auf einfache Weise eine elektrochemische Bearbeitung des Beschichtungsmittels möglich ist.Accordingly, an apparatus for the production of components for battery cells, in particular for lithium-containing battery cells, is provided, which further comprises a receiving device for reversibly receiving a substrate to be coated, a coating device. This comprises a cavity for guiding a coating agent. The cavity itself is limited by walls, wherein at least part of the walls is at least partially formed by an electrode. The electrode is electrically contacted, so that within the cavity in a simple manner, an electrochemical machining of the coating composition is possible.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.

So ist es von Vorteil, wenn der innerhalb der Beschichtungsvorrichtung vorgesehene Hohlraum für die Führung eines Beschichtungsmittels zwei Elektroden aufweist, wobei diese zumindest teilweise zwei einander gegenüberliegende Wandungen des Hohlraums ausbilden oder in zwei entsprechend einander gegenüberliegende Wandungen des Hohlraums integriert sind. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass ein hoher Anteil eines durch den Hohlraum geführten Beschichtungsmittels einer elektrochemischen Behandlung unterzogen werden kann.Thus, it is advantageous if the cavity provided within the coating device has two electrodes for the guidance of a coating agent, these forming at least partially two mutually opposite walls of the cavity or being integrated into two correspondingly opposite walls of the cavity. In this way it is ensured that a high proportion of a guided through the cavity coating agent can be subjected to an electrochemical treatment.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn diejenigen Wandungen des Hohlraums, die eine Elektrode enthalten, eine größere Oberfläche im Kontakt mit einem zu führenden Beschichtungsmittel aufweisen als Wandungen des Hohlraums, die keine Elektrode aufweisen. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Oberfläche von Wandungen, die Elektroden enthalten, mindestens fünfmal so groß ist, wie die Oberfläche von Wandungen, die keine Elektrode enthalten. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Abstand derjenigen Wandungen zueinander, die Elektroden enthalten, im Verhältnis zum Gesamtquerschnitt des Beschichtungsmittel führenden Hohlraums relativ gering wird und auf diese Weise eine hohe Umsatzrate einer elektrochemischen Behandlung des in dem Hohlraum geführten Beschichtungsmittels erreicht wird.It is particularly advantageous if those walls of the cavity, which contain an electrode, have a larger surface area in contact with a coating medium to be guided than walls of the cavity, which have no electrode. In particular, it is advantageous if the surface of walls containing electrodes is at least five times as large as the surface of walls which do not contain an electrode. In this way it is achieved that the distance of those walls to each other, the electrodes containing in relation to the total cross-section of the coating medium leading cavity is relatively low, and in this way a high conversion rate of an electrochemical treatment of the guided in the cavity coating agent is achieved.

Gleichermaßen ist von Vorteil, wenn die Längserstreckung des ein Beschichtungsmittel führenden Hohlraums in Strömungsrichtung des Beschichtungsmittels größer ist als quer zur Strömungsrichtung des Beschichtungsmittels, da auf diese Weise ein im Hohlraum geführtes Beschichtungsmittel über einen längeren Zeitraum zwischen Elektroden der Wandungen des Hohlraums geführt und somit einer entsprechenden elektrochemischen Behandlung ausgesetzt ist.It is equally advantageous if the longitudinal extension of the cavity leading a coating agent in the flow direction of the coating agent is greater than transversely to the flow direction of the coating agent, since in this way guided in the cavity coating agent over a longer period between electrodes of the walls of the cavity and thus a corresponding electrochemical treatment is exposed.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung ein Mittel zur translatorischen Bewegung der Aufnahmevorrichtung und/oder des Beschichtungsmittels, so dass während einer Beschichtung die Aufnahmevorrichtung und das Beschichtungsmittel relativ zueinander in Längsrichtung eines zu beschichtenden Substrats geführt werden kann. Auf diese Weise lässt sich eine besonders gleichmäßige Beschichtung eines innerhalb der Vorrichtung zu beschichtenden Substrats gewährleisten.According to a particularly advantageous embodiment of the present invention, the device comprises a means for translational movement of the receiving device and / or the coating agent, so that during a coating, the receiving device and the coating agent can be guided relative to each other in the longitudinal direction of a substrate to be coated. In this way, a particularly uniform coating of a substrate to be coated within the device can be ensured.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen ein Steuerungsmittel zur Ansteuerung einer Spannungsquelle, mittels der eine Spannung an Elektroden des Beschichtungsmittels der Vorrichtung angelegt werden kann. Das Steuerungsmittel umfasst beispielsweise einen Speicher für geeignete Spannungswerte oder Spannungsverläufe. Weiterhin ist es möglich, die gespeicherten bzw. in einem Kennfeld abgelegten Spannungswerte bzw. Spannungsverläufe in Korrelation mit in dem Beschichtungsmittel vorhandenen oder erwarteten Inhaltsstoffen zu speichern. Auf diese Weise lässt sich durch Anlegen einer geeigneten Spannung an die Elektroden der Beschichtungsvorrichtung beispielsweise auf elektrochemischem Wege enthaltene Lösungsmittelrückstände oder auch Wasser zersetzen. Ist im Voraus bereits bekannt, mit welchen Lösungsmittelrückständen oder ob mit Wasser in einem entsprechenden Beschichtungsmittel zu rechnen ist, so kann mittels des Steuerungsmittels eine an den Elektroden der Beschichtungsvorrichtung anliegende Spannung bzw. ein entsprechender Spannungsverlauf entsprechend im Vorfeld ausgewählt werden. Dabei ist es auch möglich, mehrere Inhaltsstoffe des Beschichtungsmittels dadurch zu adressieren, dass nacheinander unterschiedliche Spannungen oder Spannungsverläufe an Elektroden der Beschichtungsvorrichtung angelegt werden.According to a particularly advantageous embodiment of the present invention, the device for the production of components for battery cells comprises a control means for controlling a voltage source, by means of which a voltage can be applied to electrodes of the coating means of the device. The control means comprises, for example, a memory for suitable voltage values or voltage profiles. Furthermore, it is possible to store the stored or stored in a map voltage values or voltage waveforms in correlation with existing or expected in the coating composition ingredients. In this way, by applying a suitable voltage to the electrodes of the coating device, for example Electrochemical decomposition solvent residues or water decompose. If it is already known in advance which solvent residues or whether water is to be expected in a corresponding coating agent, then by means of the control means a voltage applied to the electrodes of the coating device or a corresponding voltage curve can be selected accordingly in advance. In this case, it is also possible to address a plurality of ingredients of the coating composition by applying different voltages or voltage profiles to electrodes of the coating apparatus in succession.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten von Batteriezellen, insbesondere lithiumhaltigen Batteriezellen bereitgestellt. Das Verfahren umfasst zunächst den Schritt, dass ein zu beschichtendes Substrat in eine Aufnahmevorrichtung einer Vorrichtung zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen aufgenommen wird. In einem zweiten Schritt wird an Elektroden der Beschichtungsvorrichtung eine geeignete Spannung angelegt. Danach wird ein Beschichtungsmittel durch einen Hohlraum der Beschichtungsvorrichtung geführt und in Kontakt mit den Elektroden der Beschichtungsvorrichtung gebracht. Danach erfolgt eine Beschichtung des Substrats mit dem Beschichtungsmittel.The invention further provides a method for producing components of battery cells, in particular lithium-containing battery cells. The method initially comprises the step of accommodating a substrate to be coated in a receiving device of a device for producing components for battery cells. In a second step, a suitable voltage is applied to electrodes of the coating device. Thereafter, a coating agent is passed through a cavity of the coating apparatus and brought into contact with the electrodes of the coating apparatus. Thereafter, a coating of the substrate with the coating agent takes place.

Diese Vorgehensweise ermöglicht es in vorteilhafter Weise, eine elektrochemische Behandlung des Beschichtungsmittels, beispielsweise in Form einer Trocknung oder eine Entfernung von Lösungsmittelrückständen mit dem Beschichtungsprozess selbst zu koppeln und somit auf einfache Weise eine wasserfreie Beschichtung beispielsweise eines Substrats gewährleisten zu können.This procedure advantageously makes it possible to couple an electrochemical treatment of the coating agent, for example in the form of drying or removal of solvent residues, to the coating process itself and thus to be able to easily ensure an anhydrous coating, for example of a substrate.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren zum Betrieb derselben lässt sich in vorteilhafter Weise anwenden zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen, insbesondere für Batterien, die Anwendung finden in mobilen Anwendungen wie Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen und Plugin-Hybridfahrzeugen, in portablen Anwendungen der Telekommunikation, in Heimwerker- oder Gartengeräten sowie in stationären Batteriesystemen beispielsweise zur Speicherung regenerativ erzeugter elektrischer Energie.The device according to the invention or the method of operating the same can be advantageously used for the production of components for battery cells, in particular for batteries, which are used in mobile applications such as electric vehicles, hybrid vehicles and plug-in hybrid vehicles, in portable telecommunications applications, in do-it-yourselfers - Or garden equipment and in stationary battery systems, for example, for the storage of regenerative electrical energy.

Figurenlistelist of figures

Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung verdeutlicht und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 2 eine schematische Aufsicht auf die Vorrichtung gemäß 1,
  • 3 eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
  • 4 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen.
Advantageous embodiments of the present invention are illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description of the figures. It shows:
  • 1 1 is a schematic sectional view of an apparatus for producing components for battery cells according to a first embodiment of the present invention,
  • 2 a schematic plan view of the device according to 1 .
  • 3 a schematic plan view of an apparatus for producing components for battery cells according to a second embodiment of the present invention and
  • 4 a flowchart for illustrating a method according to the invention for the production of components for battery cells.

In 1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung 10 umfasst beispielsweise eine Aufnahmevorrichtung 12 zur Aufnahme eines innerhalb der Vorrichtung 10 zu beschichtenden Substrats 14. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 10 eine Beschichtungsvorrichtung 16, mittels der das zu beschichtende Substrat 14 mit einem Beschichtungsmittel 18 versehen werden kann. Dabei durchläuft das Beschichtungsmittel 18 die Beschichtungsvorrichtung 16 beispielsweise in der durch einen Pfeil 24 verdeutlichten Strömungsrichtung. Die Beschichtungsvorrichtung 16 umfasst eine Beschichtungsmittelzufuhr 17 sowie einen Hohlraum 20 und eine Beschichtungsdüse 22. Die Beschichtungsmittelzufuhr 17, der Hohlraum 20 und die Beschichtungsdüse 22 werden von dem Beschichtungsmittel 18 nacheinander durchlaufen. Dabei ist die Beschichtungsvorrichtung 16 beispielsweise als sogenannter Schlitzgießer ausgeführt, bei dem das Beschichtungsmittel 18 die Beschichtungsdüse 22 bereits in schichtförmiger Form verlässt.In 1 a device for the production of components for battery cells according to a first embodiment of the present invention is shown. The device 10 includes, for example, a recording device 12 for receiving one within the device 10 to be coated substrate 14 , Furthermore, the device comprises 10 a coating device 16 , by means of the substrate to be coated 14 with a coating agent 18 can be provided. The coating agent passes through 18 the coating device 16 for example in the by an arrow 24 clarified flow direction. The coating device 16 includes a coating agent feed 17 as well as a cavity 20 and a coating nozzle 22 , The coating agent feed 17 , the cavity 20 and the coating nozzle 22 be from the coating agent 18 go through one after the other. In this case, the coating device 16 For example, designed as a so-called Schlitzgießer, wherein the coating agent 18 the coating nozzle 22 already leaves in a layered form.

In Wandungen des Hohlraums 20 sind beispielsweise eine erste und eine zweite Elektrode 26, 28 integriert. Alternativ sind Wandungen des Hohlraums 20 durch die erste und zweite Elektrode 26, 28 zumindest teilweise oder auch vollflächig gebildet. Oberflächen der ersten und zweiten Elektrode 26, 28 sind dem Inneren des Hohlraums 20 zugewandt und stehen im Betrieb in Kontakt mit dem Beschichtungsmittel 18. Weiterhin ist eine Spannungsquelle 30 vorgesehen, die mit der ersten und zweiten Elektrode 26, 28 elektrisch leitend verbunden ist. Mittels der Spannungsquelle 30 kann an die erste und zweite Elektrode 26, 28 eine Spannung angelegt werden.In walls of the cavity 20 are, for example, a first and a second electrode 26 . 28 integrated. Alternatively, walls of the cavity 20 through the first and second electrodes 26 . 28 formed at least partially or even over the entire surface. Surfaces of the first and second electrodes 26 . 28 are the interior of the cavity 20 facing and are in operation in contact with the coating agent 18 , Furthermore, a voltage source 30 provided with the first and second electrodes 26 . 28 is electrically connected. By means of the voltage source 30 can connect to the first and second electrodes 26 . 28 a voltage is applied.

Zur Steuerung der Spannungsquelle 30 ist ein Steuerungsmittel 32 vorgesehen, mittels dessen der Spannungsquelle 30 ein entsprechender Spannungswert vorgegeben wird. Dazu enthält das Steuerungsmittel 32 beispielsweise einen Speicher oder ein Kennfeld, in dem geeignete Spannungswerte oder auch Spannungsverläufe abgelegt sind. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, entsprechende Spannungswerte bzw. Spannungsverläufe mit tatsächlich enthaltenen oder erwartenden Inhaltsstoffen des Beschichtungsmittels zu korrelieren. Ist es beispielsweise bekannt, dass das Beschichtungsmittel 18 Wasser enthält, kann über ein entsprechendes Kennfeld des Steuerungsmittels 32 ein dem Inhaltsstoff Wasser zugeordneter Spannungswert an die Spannungsquelle 30 übermittelt und die entsprechende Spannung an den Elektroden 26, 28 angelegt werden. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, im Betriebsmittel 18 enthaltenes Wasser elektrochemisch zu zersetzen und somit aus dem Beschichtungsmittel 18 zu entfernen.For controlling the voltage source 30 is a control device 32 provided by means of which the voltage source 30 a corresponding voltage value is specified. For this purpose, the control means contains 32 For example, a memory or a map in which suitable voltage values or voltage curves are stored. In addition, it is possible to correlate corresponding voltage values or voltage profiles with actually contained or expected ingredients of the coating composition. For example, is it known that the coating agent 18 Contains water can, via a corresponding map of the control means 32 a voltage value associated with the ingredient water to the voltage source 30 transmitted and the appropriate voltage to the electrodes 26 . 28 be created. In this way it is possible, for example, in the resources 18 to decompose water contained electrochemically and thus from the coating agent 18 to remove.

Gleichermaßen kann bei Existenz oder vermuteter Existenz von Rückständen eines bestimmten Lösungsmittels im Beschichtungsmittel 18 ein dem Lösungsmittel zugeordneter Spannungswert über das Steuerungsmittel 32 dem dort hinterlegten Kennfeld entnommen und eine an den Elektroden 26, 28 anliegende Spannung entsprechend gewählt werden. Auf diese Weise können auch Lösungsmittelrückstände aus dem Beschichtungsmittel 18 oxidativ oder reduktiv entfernt werden.Similarly, in the case of the existence or suspected existence of residues of a particular solvent in the coating composition 18 a voltage value associated with the solvent via the control means 32 taken from the map stored there and one at the electrodes 26 . 28 voltage to be selected accordingly. In this way, also solvent residues from the coating agent 18 be removed oxidatively or reductively.

Um eine möglichst weitreichende elektrochemische Behandlung des Beschichtungsmittels 18 innerhalb des Hohlraums 20 zu gewährleisten, ist die Ausdehnung von Wandungen, die den Hohlraum 20 begrenzen und eine der Elektroden 26, 28 enthalten, größer ausgeführt als die von Wandungen des Hohlraums 20, die keine der Elektroden 26, 26a, 26b, 28 enthalten. Sind die Elektroden 26, 28 beispielsweise in eine Boden- und eine Deckfläche des Hohlraums 20 integriert, so ist der Hohlraum 20 beispielsweise derart ausgeführt, dass die Breite des Hohlraum 20 deutlich größer ist als die Höhe des Hohlraums 20. So kann die Breite des Hohlraums 20 in diesem Fall beispielsweise mindestens fünfmal so groß sein wie dessen Höhe.To the widest possible electrochemical treatment of the coating composition 18 inside the cavity 20 To ensure that is the expansion of walls that form the cavity 20 limit and one of the electrodes 26 . 28 contain, executed larger than that of walls of the cavity 20 that are not the electrodes 26 . 26a . 26b . 28 contain. Are the electrodes 26 . 28 for example, in a bottom and a top surface of the cavity 20 integrated, so is the cavity 20 For example, carried out such that the width of the cavity 20 is significantly larger than the height of the cavity 20 , So can the width of the cavity 20 in this case, for example, be at least five times as large as its height.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Längserstreckung des Hohlraums 20 in der Strömungsrichtung 24 des Beschichtungsmittels 18 größer ausgeführt ist, insbesondere mindestens doppelt so groß ist wie dessen Breite. Auf diese Weise ist der Abstand zwischen erster und zweiter Elektrode 26, 28 besonders gering und dennoch eine Fließzone des Beschichtungsmittels 18 zwischen den Elektroden 26, 28 besonders groß. Beide Maßnahmen ermöglichen einzeln oder auch in Kombination eine ausreichend gute elektrochemische Behandlung des Beschichtungsmittels 18 innerhalb der Beschichtungsvorrichtung 16.Furthermore, it is advantageous if the longitudinal extent of the cavity 20 in the flow direction 24 of the coating agent 18 is made larger, in particular at least twice as large as its width. In this way, the distance between the first and second electrode 26 . 28 particularly low and yet a flow zone of the coating composition 18 between the electrodes 26 . 28 extraordinary big. Both measures allow individually or in combination a sufficiently good electrochemical treatment of the coating composition 18 within the coating device 16 ,

In 2 ist die Vorrichtung gemäß 1 in einer schematischen Aufsicht dargestellt. Erkennbar ist die flächige Ausdehnung der ersten Elektrode 26 und die Ausführung der Beschichtungsvorrichtung 16 in Form eines Schlitzgießers.In 2 is the device according to 1 shown in a schematic plan view. Visible is the areal extent of the first electrode 26 and the execution of the coating device 16 in the form of a slot caster.

3 zeigt eine Beschichtungsvorrichtung 16 einer Vorrichtung 10 zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteilkomponenten wie in den 1 und 2. 3 shows a coating device 16 a device 10 for manufacturing components for battery cells according to a second embodiment of the present invention. The same reference numerals designate the same component components as in FIGS 1 and 2 ,

Bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung 10 umfasst der Hohlraum 20 eine erste Elektrode 26 in zweigeteilter Form, umfassend eine erste erste Elektrode 26a und eine zweite erste Elektrode 26b sowie dazu korrespondierend und in 3 nicht dargestellt eine erste zweite Elektrode und eine zweite zweite Elektrode. Dazu korrespondierend sind zwei Spannungsquellen 30a, 30b vorgesehen, wobei eine erste Spannungsquelle 30a elektrisch leitend mit der ersten ersten Elektrode 26a und der ersten zweiten Elektrode verbunden ist und die zweite Spannungsquelle 30b mit der zweiten ersten Elektrode 26b und der in 3 nicht dargestellten zweiten zweiten Elektrode.In this embodiment of the device 10 includes the cavity 20 a first electrode 26 in two-part form, comprising a first first electrode 26a and a second first electrode 26b as well as corresponding and in 3 not shown a first second electrode and a second second electrode. Corresponding to this are two voltage sources 30a . 30b provided, wherein a first voltage source 30a electrically conductive with the first first electrode 26a and the first second electrode and the second voltage source 30b with the second first electrode 26b and the in 3 not shown second second electrode.

Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das Beschichtungsmittel 18 beim Durchlaufen der Beschichtungsvorrichtung 16 nacheinander unterschiedlichen elektrochemischen Spannungen ausgesetzt wird und somit unterschiedliche elektrochemische Reaktionen innerhalb des Beschichtungsmittels ausgelöst werden können. Auf diese Weise kann beispielsweise im Bereich der in Strömungsrichtung ersten Elektroden eine erste elektrochemische Reaktion wie beispielsweise eine Trocknung des Beschichtungsmittels 18 durchgeführt werden und im Bereich der zweiten Elektroden nachfolgend eine zweite elektrochemische Reaktion wie beispielsweise die Entfernung eines im Beschichtungsmittel enthaltenen Lösungsmittels. Diese Vorgehensweise kann auch in umgekehrter Reihenfolge erfolgen.The advantage of this embodiment is that the coating agent 18 when passing through the coating device 16 successively different electrochemical stresses is exposed and thus different electrochemical reactions can be triggered within the coating composition. In this way, for example, in the area of the first electrodes in the flow direction, a first electrochemical reaction such as, for example, a drying of the coating agent 18 followed by a second electrochemical reaction in the region of the second electrodes, for example the removal of a solvent contained in the coating agent. This procedure can also be done in reverse order.

In 4 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen mittels einer in den 1 bis 3 dargestellten Vorrichtung verdeutlicht. So wird in einem ersten Verfahrensschritt 40 beispielsweise ein Substrat 14 in eine Aufnahmevorrichtung 12 der Vorrichtung 10 aufgenommen. In einem zweiten Schritt 42 wird beispielsweise eine Beschichtungsvorrichtung 16 in eine Ausgangsposition verbracht, in der eine Beschichtung des Substrats 14 mit einem Beschichtungsmittel 18 erfolgen kann. Weiterhin wird in einem dritten Schritt 44 eine Spannung an Elektroden 26, 26a, 26b, 28 der Beschichtungsvorrichtung 16 angelegt. Der dritte Schritt 44 kann auch simultan zum Schritt 42 oder auch in zeitlicher Reihenfolge vor diesem erfolgen.In 4 schematically is a method for the production of components for battery cells by means of a in the 1 to 3 illustrated device illustrated. So in a first step 40 for example, a substrate 14 in a cradle 12 the device 10 added. In a second step 42 For example, a coating device 16 spent in a starting position, in which a coating of the substrate 14 with a coating agent 18 can be done. Furthermore, in a third step 44 a voltage on electrodes 26 . 26a . 26b . 28 the coating device 16 created. The third step 44 can also simultaneously to the step 42 or in chronological order before this.

In einem vierten Schritt 46 erfolgt dann eine Beschichtung des Substrats 14 mit dem Beschichtungsmittel 18. Vorzugsweise simultan erfolgt eine translatorische Bewegung der Beschichtungsvorrichtung 16 und der Aufnahmevorrichtung 12 derart zueinander, dass die Beschichtungsvorrichtung 16 über dem Substrat 14 in Beschichtungsrichtung oder Längsrichtung des Substrats 14 translatorisch bewegt wird. Abschließend erfolgt in einem fünften Schritt die Entnahme des beschichteten Substrats 14 aus der Aufnahmevorrichtung 12. In a fourth step 46 then takes place a coating of the substrate 14 with the coating agent 18 , Preferably, a translatory movement of the coating device takes place simultaneously 16 and the cradle 12 in such a way that the coating device 16 above the substrate 14 in the coating direction or the longitudinal direction of the substrate 14 is moved translationally. Finally, in a fifth step, the removal of the coated substrate 14 from the recording device 12 ,

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb derselben werden vorzugsweise eingesetzt zur Herstellung von Batteriezellen für Batterien in mobilen Anwendungen, wie Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder Plugin-Hybridfahrzeuge, für portable Anwendungen der Telekommunikation, für Heimwerker- oder Gartengeräte, sowie für Batterien in stationären Energiespeichern beispielsweise zur Speicherung von regenerativ erzeugter elektrischer Energie.The inventive device or the inventive method for operating the same are preferably used for the production of battery cells for batteries in mobile applications, such as electric vehicles, hybrid vehicles or plug-in hybrid vehicles, for portable applications of telecommunications, DIY or garden tools, as well as batteries in stationary Energy storage, for example, for storing regenerative electrical energy.

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Claims (10)

Vorrichtung zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen, insbesondere lithiumhaltigen Batteriezellen, mit einer Aufnahmevorrichtung (12) für eine reversible Aufnahme eines zu beschichtenden Substrats (14) und mit einer Beschichtungsvorrichtung (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung (16) einen durch Wandungen begrenzten Beschichtungsmittel (18) führenden Hohlraum (20) umfasst, wobei zumindest ein Teil der Wandungen zumindest teilweise durch eine elektrisch kontaktierte Elektrode (26, 26a, 26b, 28) gebildet ist.Device for producing components for battery cells, in particular lithium-containing battery cells, with a receiving device (12) for reversibly receiving a substrate (14) to be coated and with a coating device (16), characterized in that the coating device (16) bounded by walls Coating means (18) leading cavity (20), wherein at least a part of the walls is at least partially formed by an electrically contacted electrode (26, 26 a, 26 b, 28). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung (16) einen Hohlraum zur Führung eines Beschichtungsmittels (18) umfasst, bei dem zwei gegenüberliegende Wandungen jeweils zumindest teilweise durch eine Elektrode (26, 26a, 26b, 28) gebildet ist oder in die eine Elektrode (26, 26a, 26b, 28) integriert ist.Device after Claim 1 , characterized in that the coating device (16) comprises a cavity for guiding a coating agent (18), in which two opposite walls are each formed at least partially by an electrode (26, 26a, 26b, 28) or into which one electrode (26 , 26a, 26b, 28) is integrated. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode (26, 26a, 26b, 28) umfassende Wandungen des Hohlraums (20) eine größere dem Beschichtungsmittel (18) zugewandte Oberfläche aufweisen als die Wandungen des Hohlraums (20) ohne Elektrode, insbesondere weisen die elektrodenhaltigen Wandungen einen mindestens fünfmal so großen Flächeninhalt auf wie die Wandungen ohne Elektrode.Device after Claim 2 , characterized in that an electrode (26, 26a, 26b, 28) comprising walls of the cavity (20) have a larger coating the surface (18) facing surface than the walls of the cavity (20) without an electrode, in particular, the electrode-containing walls have a at least five times as large surface area as the walls without an electrode. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längserstreckung des Hohlraums (20) zur Führung eines Beschichtungsmittels (18) in Strömungsrichtung des Beschichtungsmittels (18) größer ist als die Ausdehnung des Hohlraums (20) senkrecht zur Strömungsrichtung des Beschichtungsmittels (18), insbesondere doppelt so groß.Device after Claim 2 or 3 , characterized in that a longitudinal extension of the cavity (20) for guiding a coating agent (18) in the flow direction of the coating means (18) is greater than the extent of the cavity (20) perpendicular to the flow direction of the coating means (18), in particular twice as large. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein translatorisches Mittel vorgesehen ist, um die Aufnahmevorrichtung (12) und die Beschichtungsvorrichtung (16) relativ zueinander translatorisch in Längsrichtung eines zu beschichtenden Substrats (14) zu bewegen.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a translational means is provided to move the receiving device (12) and the coating device (16) relative to each other in translation in the longitudinal direction of a substrate to be coated (14). Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsquelle (30, 30a, 30b) zum Anlegen einer Spannung an Elektroden (26, 26a, 26b, 28) der Beschichtungsvorrichtung (16) vorgesehen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a voltage source (30, 30a, 30b) for applying a voltage to electrodes (26, 26a, 26b, 28) of the coating device (16) is provided. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerungsmittel (32) zur Steuerung der Spannungsquelle (30, 30a, 30b) vorgesehen ist, wobei das Steuerungsmittel (32) einen Speicher oder ein Kennfeld aufweist, in dem Spannungswerte oder Spannungsverläufe insbesondere in Korrelation zu in dem Beschichtungsmittel (18) enthaltenen Inhaltsstoffen vorgesehen ist.Device after Claim 6 characterized in that a control means (32) is provided for controlling the voltage source (30, 30a, 30b), wherein the control means (32) comprises a memory or a map in which voltage values or voltage profiles, in particular in correlation to the coating agent (32), 18) contained ingredients is provided. Verfahren zur Herstellung von Komponenten einer Batteriezelle, insbesondere einer lithiumhaltigen Batteriezelle, unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt (40) zunächst ein zu beschichtendes Substrat (14) von einer Aufnahmevorrichtung (12) der Vorrichtung zur Herstellung von Komponenten für Batteriezellen (10) aufgenommen wird, in einem zweiten Schritt (42) eine Spannung an Elektroden (26, 26a, 26b, 28) einer Beschichtungsvorrichtung (16) angelegt wird, in einem dritten Schritt (44) ein Beschichtungsmittel (18) durch einen Hohlraum (20) der Beschichtungsvorrichtung (16) geführt wird, derart, dass das Beschichtungsmittel (18) in Kontakt mit den Elektroden (26, 26a, 26b, 28) der Beschichtungsvorrichtung (16) kommt und in einem vierten Schritt (46) zur Erzeugung einer Beschichtung auf eine Oberfläche des Substrats (14) aufgebracht wird.A method for producing components of a battery cell, in particular a lithium-containing battery cell, using a device according to one of the preceding claims, characterized in that in a first step (40) first to be coated substrate (14) of a receiving device (12) of the device for producing components for battery cells (10), in a second step (42) a voltage is applied to electrodes (26, 26a, 26b, 28) of a coating device (16), in a third step (44) a coating agent ( 18) is guided through a cavity (20) of the coating device (16) such that the coating agent (18) comes into contact with the electrodes (26, 26a, 26b, 28) of the coating device (16) and in a fourth step ( 46) is applied to a surface of the substrate (14) to form a coating. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich nacheinander unterschiedliche Spannungen oder Spannungsverläufe an Elektroden (26, 26a, 26b, 28) der Beschichtungsvorrichtung (16) angelegt werden.Method according to Claim 8 , characterized in that different voltages or voltage profiles at electrodes (26, 26a, 26b, 28) of the coating device (16) are applied one after another. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 9 zur Herstellung von Batteriezellen für mobile Anwendungen wie Batterien in Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Plugin-Hybridfahrzeugen, in Batterien für Heimwerkeranwendungen, in Batterien für Gartengeräte, in Batterien für portable Anwendungen der Telekommunikation oder in Batterien zur Speicherung insbesondere regenerativ erzeugter elektrischer Energie.Use of a device according to one of Claims 1 to 7 or a method according to one of Claims 8 to 9 for the manufacture of battery cells for mobile applications such as batteries in electric vehicles, hybrid vehicles or plug-in hybrid vehicles, in batteries for home improvement applications, in gardening batteries, in batteries for portable applications of telecommunications or in batteries for storing in particular regeneratively generated electrical energy.
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