DE102018216523A1

DE102018216523A1 - Battery cell with at least one electrochemical cell and method for producing the same

Info

Publication number: DE102018216523A1
Application number: DE102018216523.8A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Berner; Kevin Gregory Gallagher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle (102) mit zumindest einer elektrochemischen Zelle (100), die durch zwei, unter Verwendung eines Separators (106) aus Feststoffelektrolyt (118) elektrisch getrennte und chemisch wechselwirkende, als Anode (108) und Kathode (110) wirkende Elektroden (104) ausgebildet ist, wobei zumindest eine der Elektroden (104) auf der vom Separator (106) abgewandten Seite elektrisch leitend mit einem flächigen, elektrisch leitenden Ableiter (112) verbunden ist, wobei zwischen der Elektrode (104) und dem Ableiter (112) zumindest ein seitlich offener Entgasungskanal (122) zum Ableiten von Gasen angeordnet istThe invention relates to a battery cell (102) with at least one electrochemical cell (100), which is an anode (108) and cathode 110) acting electrodes (104), at least one of the electrodes (104) on the side facing away from the separator (106) being electrically conductively connected to a flat, electrically conductive conductor (112), between the electrode (104) and at least one laterally open degassing channel (122) for discharging gases is arranged in the arrester (112)

Description

Gebiet der ErfindungField of the Invention

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit zumindest einer elektrochemischen Zelle und ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle mit zumindest einer elektrochemischen Zelle.The invention relates to a battery cell with at least one electrochemical cell and a method for producing a battery cell with at least one electrochemical cell.

Stand der TechnikState of the art

In einer Batteriezelle kann ein Elektrolytmaterial zwischen einem Anodenmaterial und einem Kathodenmaterial verwendet werden. Eine einzelne elektrochemische Zelle der Batteriezelle weist dabei einen Stapel aus zumindest drei Schichten auf, wobei in einer ersten Schicht das Anodenmaterial enthalten ist, in einer zweiten Schicht das Elektrolytmaterial aber weder das Anodenmaterial noch das Kathodenmaterial enthalten ist und in einer dritten Schicht das Kathodenmaterial enthalten ist. Der Stapel ist auf entgegengesetzten Seiten elektrisch mit den zwei Polen der Batteriezelle verbunden. Die elektrische Verbindung kann durch sogenannte Ableiter erfolgen, die als elektrisch leitende Folien auf den entgegengesetzten Seiten angeordnet werden.In a battery cell, an electrolyte material can be used between an anode material and a cathode material. A single electrochemical cell of the battery cell has a stack of at least three layers, the anode material being contained in a first layer, but the electrolyte material being neither contained in the anode material nor the cathode material, and the cathode material being contained in a third layer . The stack is electrically connected to the two poles of the battery cell on opposite sides. The electrical connection can be made by so-called arresters, which are arranged as electrically conductive foils on the opposite sides.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Batteriezelle mit zumindest einer elektrochemischen Zelle und ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle mit zumindest einer elektrochemischen Zelle gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Against this background, the approach presented here presents a battery cell with at least one electrochemical cell and a method for producing a battery cell with at least one electrochemical cell according to the independent claims. Advantageous further developments and improvements of the approach presented here result from the description and are described in the dependent claims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, bei einem Formierungsprozess oder während des Betriebes einer Batteriezelle entstehende Gase aus einem Zellstapel der Batteriezelle abzuführen. Dabei kann eine Ansammlung der Gase an als Diffusionshindernissen wirkenden elektrisch leitenden Folien im Zellstapel verhindert werden, wodurch eine Prozesssicherheit erhöht werden kann und eine Ausschussrate gesenkt werden kann.Embodiments of the present invention can advantageously make it possible to remove gases generated during a formation process or during the operation of a battery cell from a cell stack of the battery cell. Accumulation of the gases on electrically conductive foils acting as diffusion obstacles in the cell stack can be prevented, as a result of which process reliability can be increased and a reject rate can be reduced.

Es wird eine Batteriezelle mit zumindest einer elektrochemischen Zelle vorgeschlagen, wobei die Zelle durch zwei, unter Verwendung eines Separators aus Feststoffelektrolyt elektrisch getrennte und chemisch wechselwirkende, als Anode und Kathode wirkende Elektroden ausgebildet ist, wobei zumindest eine der Elektroden auf der vom Separator abgewandten Seite elektrisch leitend mit einem flächigen, elektrisch leitenden Ableiter verbunden ist, wobei zwischen der Elektrode und dem Ableiter zumindest ein seitlich offener Entgasungskanal zum Ableiten von Gasen angeordnet ist.A battery cell with at least one electrochemical cell is proposed, the cell being formed by two electrodes which are electrically separated using a separator made of solid electrolyte and which interact chemically and act as an anode and cathode, at least one of the electrodes being electrical on the side facing away from the separator is conductively connected to a flat, electrically conductive arrester, at least one laterally open degassing channel for discharging gases being arranged between the electrode and the arrester.

Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle mit zumindest einer elektrochemischen Zelle vorgeschlagen, wobei die Zelle durch zwei, unter Verwendung eines Separators elektrisch getrennte und chemisch wechselwirkende, als Anode und Kathode wirkende Elektroden aufgebaut wird, wobei zumindest eine der Elektroden auf der vom Separator abgewandten Seite elektrisch leitend mit einem flächigen, elektrisch leitenden Ableiter verbunden wird, und zwischen der Elektrode und dem Ableiter zumindest ein seitlich offener Entgasungskanal zum Ableiten von Gasen angeordnet wird, wobei die Batteriezelle unter Verwendung eines Formierungsprozesses formiert wird, unter Verwendung des Entgasungskanals entgast wird, und eine Umhüllung der Batteriezelle nach dem Entgasen fluiddicht versiegelt wird.Furthermore, a method for producing a battery cell with at least one electrochemical cell is proposed, the cell being constructed by two electrodes which are electrically separated and chemically interacting using an separator and act as anode and cathode, at least one of the electrodes facing away from the separator Side is electrically conductively connected to a flat, electrically conductive arrester, and at least one laterally open degassing channel for discharging gases is arranged between the electrode and the arrester, the battery cell being formed using a forming process, degassing using the degassing channel, and an envelope of the battery cell is sealed in a fluid-tight manner after degassing.

Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.Ideas for embodiments of the present invention can be viewed, inter alia, as based on the ideas and knowledge described below.

Unter einer Batteriezelle kann ein Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie in chemischer Form verstanden werden. Eine elektrochemische Zelle ist die kleinste Funktionseinheit der Batteriezelle. Die Batteriezelle kann mehrere elektrisch parallel geschaltete und/oder elektrisch in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen aufweisen. Mehrere Batteriezellen können zu einer Batterie, beispielsweise einer Traktionsbatterie für ein Fahrzeug zusammengefügt werden.A battery cell can be understood as an energy store for storing electrical energy in chemical form. An electrochemical cell is the smallest functional unit of the battery cell. The battery cell can have a plurality of electrochemical cells connected in parallel and / or electrically connected in series. Several battery cells can be combined to form a battery, for example a traction battery for a vehicle.

Die Zelle weist eine Schichtfolge von verschiedenen elektrochemisch aktiven Materialien und elektrochemisch inerten Materialien auf. Elektroden der Zelle weisen die elektrochemisch aktiven Materialien auf. Ein zwischen den Elektroden angeordneter Separator weist elektrochemisch inertes Material auf.The cell has a layer sequence of different electrochemically active materials and electrochemically inert materials. Electrodes of the cell have the electrochemically active materials. A separator arranged between the electrodes has electrochemically inert material.

Zum Aufbauen der Zelle können die Materialien schichtweise übereinander angeordnet werden. Dabei können vorgefertigte Schichten gestapelt und/oder Schichten vor Ort erzeugt werden. Schichten können beispielsweise als Scheiben von einem Rohling abgeschnitten werden. Schichten können auch aus Flüssigkeiten oder Pasten erzeugt werden. Die Flüssigkeiten oder Pasten können Dispersionen eines oder mehrerer der Materialien in einem Lösungsmittel sein, die durch ein Entfernen des Lösungsmittels die Schicht bilden. Ebenso können die Schichten durch eine Reaktion von zwei oder mehr Komponenten aus dem flüssigen beziehungsweise pastösen Zustand in einen festen Zustand übergehen. Die Schichten können auch durch ein Erstarren von schmelzflüssiger Schmelze erzeugt werden. Ebenso können Schichten durch Umformen, also beispielsweise Walzen, Pressen oder Ziehen eines Rohlings erzeugt werden.To build up the cell, the materials can be arranged in layers one above the other. Prefabricated layers can be stacked and / or layers can be created on site. Layers can be cut off from a blank, for example as disks. Layers can also be created from liquids or pastes. The liquids or pastes can be dispersions of one or more of the materials in a solvent which form the layer by removing the solvent. Likewise, the layers can be formed by a reaction of two or more components from the liquid or change into a solid state. The layers can also be produced by solidification of the molten melt. Layers can also be produced by reshaping, for example rolling, pressing or drawing a blank.

Die verschiedenen elektrochemisch aktiven Materialien weisen eine elektrochemische Potenzialdifferenz auf. Je nach Materialpaarung wirkt eine der Elektroden als Anode und die andere Elektrode wirkt als Kathode. Ein elektrischer Stromfluss zwischen der Anode und der Kathode innerhalb der Zelle wird durch den Separator verhindert. Zwischen der Anode und Kathode bewegen sich beim Laden und Entladen der Batteriezelle Ionen der elektrochemisch aktiven Materialien als Ladungsträger durch den Separator.The various electrochemically active materials have an electrochemical potential difference. Depending on the material pairing, one of the electrodes acts as an anode and the other electrode acts as a cathode. An electrical current flow between the anode and the cathode within the cell is prevented by the separator. During charging and discharging of the battery cell, ions of the electrochemically active materials move between the anode and cathode as charge carriers through the separator.

Ein Ableiter kann als metallische Schicht beziehungsweise Folie ausgebildet sein. Der Ableiter kann als Diffusionshindernis wirken. Ein Entgasungskanal kann ein Hohlraum in einem Grenzbereich zwischen der Elektrode und dem Ableiter sein. Der Entgasungskanal kann bis zu einer seitlichen Kante des Ableiters beziehungsweise der Elektrode verlaufen und zu einer Umgebung der Zelle offen sein beziehungsweise mit der Umgebung in Kontakt stehen. Über die Entgasungskanäle können Umgebungsbedingungen in der Umgebung der Zelle im Bereich der Grenzfläche wirken. Wenn beispielsweise in der Umgebung ein niedriger Umgebungsdruck, wie ein näherungsweises Vakuum besteht, besteht auch in dem Entgasungskanal der niedrige Umgebungsdruck.An arrester can be designed as a metallic layer or foil. The arrester can act as an obstacle to diffusion. A degassing channel can be a cavity in a border area between the electrode and the arrester. The degassing channel can extend up to a lateral edge of the arrester or the electrode and can be open to an environment of the cell or be in contact with the environment. Ambient conditions in the vicinity of the cell in the area of the interface can act via the degassing channels. If, for example, there is a low ambient pressure in the environment, such as an approximate vacuum, the low ambient pressure also exists in the degassing channel.

Bei einem Formierungsprozess kann die Batteriezelle von einem Fertigungszustand in einen Betriebszustand versetzt werden. Während des Formierungsprozesses kann die zumindest eine elektrochemische Zelle außerhalb einer Umhüllung der Batteriezelle angeordnet sein oder bereits in der Umhüllung angeordnet sein. Die Umhüllung kann noch geöffnet oder auch bereits geschlossen sein. Die Umhüllung kann eine Folie oder ein festes Gehäuse sein. Zum Formieren kann zumindest ein elektrisches Potenzial an den Polen der Batteriezelle angelegt werden, um zumindest eine gewünschte Reaktion in den elektrochemischen Zellen hervorzurufen. Beispielsweise kann zumindest ein unerwünschter Stoff an zumindest einer der Elektroden oxidiert oder reduziert werden, um in einen gasförmigen Zustand überzugehen und durch den zumindest einen Entgasungskanal abgeführt zu werden. Nach dem Abführen des Gases kann die zumindest eine elektrochemische Zelle in der bereitstehenden geöffneten Umhüllung angeordnet werden. Die offene Umhüllung mit der Zelle darin wird nach dem Abführen des Gases verschlossen. Eine bereits geschlossene Umhüllung wird zum Abführen des Gases erneut geöffnet und wieder verschlossen.In a formation process, the battery cell can be switched from a manufacturing state to an operating state. During the formation process, the at least one electrochemical cell can be arranged outside an envelope of the battery cell or can already be arranged in the envelope. The casing can still be open or already closed. The covering can be a film or a solid housing. For forming, at least one electrical potential can be applied to the poles of the battery cell in order to cause at least one desired reaction in the electrochemical cells. For example, at least one undesirable substance can be oxidized or reduced on at least one of the electrodes in order to change into a gaseous state and to be discharged through the at least one degassing channel. After the gas has been removed, the at least one electrochemical cell can be arranged in the open casing provided. The open envelope with the cell in it is closed after the gas has been removed. An already closed envelope is opened and closed again to discharge the gas.

Zwischen der Elektrode und dem Ableiter können zumindest zwei sich kreuzende Entgasungskanäle angeordnet sein. Entgasungskanäle können in unterschiedliche Richtungen verlaufen und an unterschiedlichen Punkten der Kante des Ableiters beziehungsweise der Elektrode münden. Die kreuzenden Entgasungskanäle können untereinander in Kontakt stehen. Falls eine Öffnung eines der Entgasungskanäle verstopft sein sollte, können die Gase über den anderen Entgasungskanal abgezogen werden. Die Entgasungskanäle können ein regelmäßiges Muster ausbilden.At least two intersecting degassing channels can be arranged between the electrode and the arrester. Degassing channels can run in different directions and open at different points on the edge of the arrester or the electrode. The intersecting degassing channels can be in contact with each other. If an opening of one of the degassing channels is blocked, the gases can be drawn off via the other degassing channel. The degassing channels can form a regular pattern.

Der Entgasungskanal kann als Vertiefung in dem Ableiter ausgebildet sein. Der Entgasungskanal kann in dem Ableiter ausgebildet werden, bevor der Ableiter mit der Elektrode verbunden wird.The degassing channel can be designed as a depression in the trap. The degassing channel can be formed in the arrester before the arrester is connected to the electrode.

Der Entgasungskanal kann durch einen Materialabtrag aus einer Oberfläche des Ableiters ausgebildet werden. Beispielsweise kann das Material mechanisch spanabhebend abgetragen werden Ebenso kann das Material durch Maskieren und Ätzen von freiliegenden Bereichen chemisch abgetragen werden. Das Material kann auch unter Verwendung beispielsweise eines Lasers thermisch oder ablatierend abgetragen werden.The degassing channel can be formed by removing material from a surface of the arrester. For example, the material can be removed mechanically by machining. Likewise, the material can be removed chemically by masking and etching exposed areas. The material can also be removed thermally or ablatingly using a laser, for example.

Der Entgasungskanal kann auch durch einen Materialauftrag auf eine Oberfläche des Ableiters ausgebildet werden. Ein für den Entgasungskanal vorgesehener Bereich kann maskiert werden und auf umliegende Bereiche Material aufgetragen beziehungsweise abgelagert werden.The degassing channel can also be formed by applying material to a surface of the arrester. An area provided for the degassing channel can be masked and material can be applied or deposited on surrounding areas.

Der Entgasungskanal kann auch durch ein Umformen des Ableiters ausgebildet werden. Unter Verwendung eines Presswerkzeugs kann der Entgasungskanal in den Ableiter gepresst werden, wobei das Material des Ableiters verdrängt wird.The degassing channel can also be formed by reshaping the trap. The degassing channel can be pressed into the arrester using a pressing tool, the material of the arrester being displaced.

Der Ableiter kann auch auf einem Werkzeug abgeschieden werden, das eine Negativform des Entgasungskanals als hervorstehende Struktur aufweist.The arrester can also be deposited on a tool that has a negative shape of the degassing channel as a protruding structure.

Der Entgasungskanal kann als Vertiefung in der Elektrode ausgebildet sein. Der Entgasungskanal kann in der Elektrode ausgebildet werden, bevor die Elektrode mit dem Ableiter verbunden wird. Dazu kann Material der Elektrode von einer Oberfläche der Elektrode abgetragen werden. Beispielsweise kann das Material mechanisch spanabhebend abgetragen werden Ebenso kann das Material durch Maskieren und Ätzen von freiliegenden Bereichen chemisch abgetragen werden. Alternativ kann ein für den Entgasungskanal vorgesehener Bereich maskiert werden und auf umliegende Bereiche Material aufgetragen beziehungsweise abgelagert werden. Das Material kann auch unter Verwendung beispielsweise eines Lasers thermisch oder ablatierend abgetragen werden. Unter Verwendung eines Presswerkzeugs kann der Entgasungskanal auch in die Elektrode gepresst werden, wobei das Material der Elektrode verdrängt wird. Die Elektrode kann auch auf einem Werkzeug abgeschieden werden, das eine Negativform des Entgasungskanals als hervorstehende Struktur aufweist.The degassing channel can be designed as a depression in the electrode. The degassing channel can be formed in the electrode before the electrode is connected to the drain. For this purpose, material of the electrode can be removed from a surface of the electrode. For example, the material can be removed mechanically by machining. Likewise, the material can be removed chemically by masking and etching exposed areas. Alternatively, an area provided for the degassing channel can be masked and material can be applied or deposited on surrounding areas. The material can also be used For example, a laser can be removed thermally or ablatingly. The degassing channel can also be pressed into the electrode using a pressing tool, the material of the electrode being displaced. The electrode can also be deposited on a tool that has a negative shape of the degassing channel as a protruding structure.

Mehrere Entgasungskanäle können anteilig als Vertiefung im Ableiter und anteilig als Vertiefung in der Elektrode ausgebildet sein. Beispielsweise können Entgasungskanäle im Ableiter unter einem Winkel zu Entgasungskanälen in der Elektrode verlaufen.Several degassing channels can be designed partly as a depression in the arrester and partially as a depression in the electrode. For example, degassing channels in the arrester can run at an angle to degassing channels in the electrode.

Zwischen der Elektrode und dem Ableiter können zumindest zwei innerhalb einer Fertigungstoleranz parallele Entgasungskanäle angeordnet sein. Die Entgasungskanäle können in einem Abstand nebeneinander verlaufen und an unterschiedlichen Punkten der Kante des Ableiters beziehungsweise der Elektrode münden. Die Entgasungskanäle können ein regelmäßiges Muster ausbilden. Der Abstand kann kleiner als 5 mm sein, bevorzugt kann der Abstand kleiner als 1 mm sein, besonders bevorzugt kann der Abstand kleiner als 0,5 mm sein.At least two parallel degassing channels can be arranged between the electrode and the arrester within a manufacturing tolerance. The degassing channels can run next to one another at a distance and open at different points on the edge of the arrester or the electrode. The degassing channels can form a regular pattern. The distance can be less than 5 mm, preferably the distance can be less than 1 mm, particularly preferably the distance can be less than 0.5 mm.

Zumindest der Entgasungskanal kann eine Oberfläche aus einem Kohlenstoffmaterial aufweisen. Der Ableiter kann kohlenstoffbeschichtet sein. Das Kohlenstoffmaterial kann die elektrische Leitfähigkeit des Ableiters verbessern. Der Ableiter kann vor oder nach dem Ausbilden des Entgasungskanals kohlenstoffbeschichtet werden.At least the degassing channel can have a surface made of a carbon material. The arrester can be carbon coated. The carbon material can improve the electrical conductivity of the arrester. The arrester can be carbon coated before or after the degassing channel is formed.

Der Entgasungskanal kann eine Tiefe kleiner als 10 µm, insbesondere kleiner als 5 µm, insbesondere kleiner als 1 µm aufweisen. Je kleiner die Tiefe ist, umso näher können benachbarte Entgasungskanäle nebeneinander angeordnet sein. Je kleiner die Tiefe ist, umso weniger wird ein Leitungsquerschnitt des Ableiters verringert, da der Ableiter eine Stärke kleiner als 20 µm aufweisen kann. Jedoch sollte der Entgasungskanal eine ausreichende Tiefe bzw. einen ausreichenden Querschnitt aufweisen, um seiner Funktion zum Ableiten von Gasen gerecht werden zu können. Beispielsweise sollte eine Tiefe des Entgasungskanals vorzugsweise größer als 0,1 µm, stärker bevorzugt größer als 0,5 µm aufweisen. Ein Querschnitt des Entgasungskanals sollte vorzugsweise größer als 0,01 µm², stärker bevorzugt größer als 0,25 µm² sein.The degassing channel can have a depth of less than 10 μm, in particular less than 5 μm, in particular less than 1 μm. The smaller the depth, the closer adjacent degassing channels can be arranged next to one another. The smaller the depth, the less a conductor cross section of the arrester is reduced, since the arrester can have a thickness of less than 20 µm. However, the degassing channel should have a sufficient depth or a sufficient cross-section in order to be able to fulfill its function for discharging gases. For example, a depth of the degassing channel should preferably be greater than 0.1 μm, more preferably greater than 0.5 μm. A cross section of the degassing channel should preferably be greater than 0.01 µm ² , more preferably greater than 0.25 µm ² .

Der Ableiter kann auf einer der Elektrode gegenüberliegenden Seite mit einer weiteren Elektrode elektrisch leitend verbunden sein. Auf beiden Seiten des Ableiters kann zwischen der Elektrode und dem Ableiter je zumindest ein seitlich offener Entgasungskanal angeordnet sein. Der Ableiter kann eine widerstandsoptimierte Stärke aufweisen beziehungsweise der Leitungsquerschnitt des Ableiters kann an einen erwarteten Stromfluss durch den Ableiter angepasst sein. Dadurch kann ein Materialeinsatz verringert werden. Die weitere Elektrode ist Bestandteil einer benachbarten elektrochemischen Zelle der Batteriezelle.The conductor can be electrically conductively connected to a further electrode on a side opposite the electrode. At least one laterally open degassing channel can be arranged on each side of the arrester between the electrode and the arrester. The arrester can have a resistance-optimized thickness, or the conductor cross-section can be adapted to an expected current flow through the arrester. This can reduce the amount of material used. The further electrode is part of an adjacent electrochemical cell of the battery cell.

Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale der Batteriezelle und des Verfahrens in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.It is noted that some of the possible features and advantages of the invention are described herein with respect to different embodiments. A person skilled in the art recognizes that the features of the battery cell and of the method can be combined, adapted or exchanged in a suitable manner in order to arrive at further embodiments of the invention.

FigurenlisteFigure list

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.

1 zeigt eine Darstellung einer Schichtenfolge für eine Batteriezelle mit einer elektrochemischen Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
2 zeigt eine Darstellung eines Ableiters mit Entgasungskanälen für eine Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawings, wherein neither the drawings nor the description are to be interpreted as limiting the invention.

1 shows an illustration of a layer sequence for a battery cell with an electrochemical cell according to an embodiment; and
2nd shows a representation of an arrester with degassing channels for a battery cell according to an embodiment.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.The figures are only schematic and are not to scale. In the figures, the same reference symbols denote the same or equivalent features.

Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen. 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 kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz. 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 können je einen Stromableiter umfassen, an welchem ein Aktivmaterial angebracht ist. Das Aktivmaterial für die Kathode kann beispielsweise ein Metalloxid sein. Das Aktivmaterial für die Anode kann beispielsweise metallisches Li, Graphit, amorpher Kohlenstoff (hard carbon), Silizium oder eine Mischung der drei vorgenannten Materialien oder Li-Titanat sein.Electrical energy can be stored using batteries. Batteries convert chemical reaction energy into electrical energy. A distinction is made here between primary batteries and secondary batteries. Primary batteries are only functional once, while secondary batteries, also known as accumulators, can be recharged. A battery comprises one or more battery cells. So-called lithium-ion battery cells are used in particular in an accumulator. These are characterized, among other things, by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge. Lithium-ion battery cells are used in motor vehicles, in particular in electric vehicles (EV), hybrid vehicles (hybrid electric vehicles, HEV) and plug-in hybrid vehicles (plug-in hybrid electric vehicles, PHEV). Lithium-ion battery cells have a positive electrode, which is also called a cathode, and a negative electrode, which is also called an anode. The cathode and the anode can each comprise a current collector to which an active material is attached. The active material for the cathode can be a metal oxide, for example. The active material for the anode can be, for example, metallic Li, graphite, amorphous carbon (hard carbon), silicon or a mixture of the three aforementioned materials or Li titanate.

Lithium-basierte Batterien erfordern normalerweise Materialien mit sehr geringen Mengen an Verunreinigungen (Battery-grade). Hauptgrund dafür ist, dass Verunreinigungen je nach elektrochemischer Stabilität an den Elektroden abreagieren, beispielsweise an der Anode reduziert oder an der Kathode oxidiert werden. Dies kann zu festen Reaktionsprodukten am Solid-Elektrolyt-Interface (SEI) oder mobilen Spezies im Elektrolyt führen. Beides führt normalerweise zu nachteiligen Batterieeigenschaften. Besonders anspruchsvoll sind Batterien mit metallischem Lithium als Anode, welches das geringste elektrochemische Potential aller Elemente aufweist (-3,04 V vs SHE). Bei diesem Potential werden die meisten Moleküle reduziert. Unter anderem werden Wassermoleküle oder Lösemittelmoleküle reduziert, die sich zum Beispiel prozessbedingt in den Batterieelektroden befinden können. Je nach Reaktion kann ein Reaktionsprodukt davon Wasserstoff sein. Von Wasserstoff ist bekannt, dass dieser mit Lithium zu Lithiumhydrid (LiH) reagieren kann. Lithiumhydrid bildet dabei vornehmlich grobe Strukturen auf der Anode, die zum Teil aus deren Oberfläche herausragen und beim Durchbrechen des Separators zu einem Kontakt mit der Kathode und zum Kurzschluss führen können. Daher ist es von Vorteil, entweder das Wasser und/oder die Lösemittelmoleküle/Verunreinigungen zu entfernen, bevor diese die Li-Metall Anode erreichen.Lithium-based batteries typically require materials with very low levels of contamination (battery-grade). The main reason for this is that, depending on the electrochemical stability, contaminants react on the electrodes, for example, they are reduced at the anode or oxidized at the cathode. This can lead to solid reaction products on the solid electrolyte interface (SEI) or mobile species in the electrolyte. Both of these normally result in adverse battery properties. Batteries with metallic lithium as anode, which has the lowest electrochemical potential of all elements (-3.04 V vs SHE), are particularly demanding. Most molecules are reduced at this potential. Among other things, water molecules or solvent molecules are reduced, which, for example, can be located in the battery electrodes due to the process. Depending on the reaction, a reaction product thereof can be hydrogen. Hydrogen is known to react with lithium to form lithium hydride (LiH). Lithium hydride primarily forms coarse structures on the anode, some of which protrude from the surface of the anode and can lead to contact with the cathode and a short circuit if the separator breaks. It is therefore advantageous to remove either the water and / or the solvent molecules / contaminants before they reach the Li-metal anode.

Heutige Lithium Ionen Batterien basieren auf einem flüssigen Elektrolyten, der am Ende der Herstellung in die Batterie gefüllt wird. Um ein gezieltes SEI auf der Anode und Kathode herzustellen wird die Batterie direkt danach (also vor dem ersten Laden) einem Formierschritt unterzogen, bei dem bestimmte Potentiale an der Anode und Kathode angelegt werden, um bestimmte Spezies im Flüssigelektrolyten vorteilhaft zu oxidieren oder zu reduzieren. Auch können dadurch Verunreinigungen auf dieselbe Weise entfernt werden. Nach der Formierung werden alle entstandenen Gase aus der Zelle entfernt und die Batterie gasdicht verschlossen. Die Formierung der Li-Ionen Batterie erfolgt also vor dem ersten Zellzyklieren.Today's lithium ion batteries are based on a liquid electrolyte that is filled into the battery at the end of production. In order to produce a targeted SEI on the anode and cathode, the battery is subjected to a forming step immediately afterwards (i.e. before the first charge), in which certain potentials are applied to the anode and cathode in order to advantageously oxidize or reduce certain species in the liquid electrolyte. Contamination can also be removed in the same way. After formation, all gases are removed from the cell and the battery sealed gas-tight. The Li-ion battery is thus formed before the first cell cycling.

Auch bei Festelektrolyt-basierten Batteriezellen (z.B. mit einem Polymerelektrolyt) kann eine Art Formierung genutzt werden, um Verunreinigungen z.B. durch eine Reduktion zu entfernen. Eine Möglichkeit ist der Pre-Discharge, bei dem an der Kathode das Potential auf unter 1,5 V verringert wird, wodurch z.B. Wasser und restliche organische Lösemittelmoleküle zu gasförmigen Spezies reduziert werden. Im Unterschied zu Flüssigelektrolyt-basierten Zellen ist dieses Gas innerhalb des Polymers an der Kathode eingeschlossen und kann Gasblasen bilden. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird das Entfernen dieses Gases vereinfacht.A type of formation can also be used with solid electrolyte-based battery cells (e.g. with a polymer electrolyte) to prevent contamination e.g. to remove by reduction. One possibility is pre-discharge, in which the potential at the cathode is reduced to below 1.5 V, which means e.g. Water and residual organic solvent molecules are reduced to gaseous species. In contrast to liquid electrolyte-based cells, this gas is enclosed within the polymer at the cathode and can form gas bubbles. The approach presented here simplifies the removal of this gas.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine Darstellung eines Ausschnitts aus einer elektrochemischen Zelle 100 einer Batteriezelle 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die elektrochemische Zelle 100 besteht aus zwei Elektroden 104, die unterschiedliche elektrochemische Potenziale aufweisen und mit unterschiedlichen elektrischen Polen der Batteriezelle 102 elektrisch leitend verbunden sind. Zwischen den Elektroden 104 ist ein Separator 106 angeordnet, der die Elektroden 104 elektrisch voneinander trennt, jedoch chemisch miteinander verbindet. Zwischen den Elektroden 104 beziehungsweise den Polen kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Der Separator 106 weist hier ein Festelektrolytmaterial auf. Die Elektroden 104 werden abhängig von ihrem Potenzial als Anode 108 beziehungsweise Kathode 110 bezeichnet. 1 shows a representation of a section of an electrochemical cell 100 a battery cell 102 according to an embodiment. The electrochemical cell 100 consists of two electrodes 104 that have different electrochemical potentials and with different electrical poles of the battery cell 102 are electrically connected. Between the electrodes 104 is a separator 106 arranged of the electrodes 104 electrically separated from each other, but chemically combined. Between the electrodes 104 or the poles, an electrical voltage can be tapped. The separator 106 here has a solid electrolyte material. The electrodes 104 become dependent on their potential as an anode 108 or cathode 110 designated.

Die Batteriezelle 102 weist eine hier nicht dargestellte fluiddichte, also flüssigkeits- und gasdichte Umhüllung auf, die die Zelle 100 beziehungsweise mehrere Zellen 100 der Batteriezelle 102 umschließt. Die Pole der Batteriezelle 102 sind durch die Umhüllung nach außen geführt. Die Umhüllung kann beispielsweise ein Folienbeutel sein, der als Pouch bezeichnet werden kann. The battery cell 102 has a fluid-tight, liquid-tight and gas-tight envelope, which is not shown here, and which covers the cell 100 or several cells 100 the battery cell 102 encloses. The poles of the battery cell 102 are led through the casing to the outside. The wrapper can be, for example, a foil pouch, which can be referred to as a pouch.

Ebenso kann die Umhüllung durch ein festes Gehäuse ausgebildet sein. Das Gehäuse kann je nach Typ der Batteriezelle 102 unterschiedlich geformt sein. Das Gehäuse kann beispielsweise kreiszylindrisch oder prismatisch sein. Die Umhüllung kann elektrisch leitend mit einem der Pole der Batteriezelle 102 verbunden sein beziehungsweise den Pol der Batteriezelle 102 ausbilden.Likewise, the envelope can be formed by a fixed housing. The housing can vary depending on the type of battery cell 102 be shaped differently. The housing can for example be circular cylindrical or prismatic. The sheath can be electrically conductive with one of the poles of the battery cell 102 be connected or the pole of the battery cell 102 form.

Eine der Elektroden 104 ist elektrisch leitend mit einem elektrisch leitenden Ableiter 112 verbunden. Der Ableiter 112 ist mit dem der Elektrode 104 zugeordneten Pol elektrisch leitend verbunden. Der Ableiter 112 ist auf einer dem Separator 106 gegenüberliegenden Seite der Elektrode 104 angeordnet. Der Ableiter 112 ist elektrochemisch unwirksam und dient dazu, elektrische Ladungen mit möglichst geringen elektrischen Verlusten zwischen der Elektrode 104 und dem verbundenen Pol zu transportieren. Beispielsweise ist der Ableiter 112 aus einer Metallfolie.One of the electrodes 104 is electrically conductive with an electrically conductive arrester 112 connected. The arrester 112 is with that of the electrode 104 assigned pole electrically connected. The arrester 112 is on one of the separators 106 opposite side of the electrode 104 arranged. The arrester 112 is electrochemically ineffective and is used to transfer electrical charges with the lowest possible electrical losses between the electrodes 104 and to transport the connected pole. For example, the arrester 112 from a metal foil.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ableiter 112 mit der Kathode 110 verbunden, da die Kathode 110 eine begrenzte elektrische Leitfähigkeit aufweist und ein elektrischer Stromfluss durch die Kathode beim Laden beziehungsweise Entladen der Batteriezelle 102 zur Erwärmung der Kathode 110 und der Zelle 102 beziehungsweise der Batteriezelle 102 führen würde. In the exemplary embodiment shown here, the arrester is 112 with the cathode 110 connected since the cathode 110 has a limited electrical conductivity and an electrical current flow through the cathode when charging or discharging the battery cell 102 for heating the cathode 110 and the cell 102 or the battery cell 102 would lead.

Die Kathode 110 weist ein elektrisch leitendes Kathodenmaterial 114 und ein elektrisch isolierendes Polymermaterial +Leitsalz 116 auf. Partikel des Kathodenmaterials 114 sind in das Polymermaterial 116 eingebettet. Der Separator 106 kann aus dem gleichen Polymermaterial 116 bestehen. Das Polymermaterial 116 kann dann als Polymerelektrolyt 118 bezeichnet werden. Ein Material des Ableiters 112 kann auf das Kathodenmaterial 114 abgestimmt sein.The cathode 110 has an electrically conductive cathode material 114 and an electrically insulating polymer material + conductive salt 116. Particles of the cathode material 114 are in the polymer material 116 embedded. The separator 106 can be made of the same polymer material 116 consist. The polymer material 116 can then be used as a polymer electrolyte 118 be designated. A material of the arrester 112 can on the cathode material 114 be coordinated.

Die Anode 108 kann ein elektrisch leitendes Anodenmaterial 120 und den Polymerelektrolyt 118 aufweisen. Dann kann auf einer von dem Separator 106 abgewandten Rückseite der Anode 108 ebenfalls ein Ableiter 112 angeordnet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Anode 108 reines Anodenmaterial 120 auf und ist daher elektrisch leitend.The anode 108 can be an electrically conductive anode material 120 and the polymer electrolyte 118 exhibit. Then one of the separators can 106 facing back of the anode 108 also an arrester 112 be arranged. In the illustrated embodiment, the anode 108 pure anode material 120 and is therefore electrically conductive.

Auf der Rückseite der Anode 108 können hier direkt ein nächster Separator 106 einer nächsten Zelle und daran anschließend eine nächste Kathode 110 der nächsten Zelle angeordnet sein, um einen Zellstapel auszubilden. Ebenso kann auf einer von der Kathode 110 abgewandten Seite des Ableiters 112 eine weitere Kathode 110 einer weiteren Zelle und daran anschließend ein weiterer Separator 106 und eine weitere Anode 108 der weiteren Zelle angeordnet sein. der Zellstapel kann also einen regelmäßigen Schichtaufbau aufweisen.On the back of the anode 108 can be the next separator here 106 a next cell and then a next cathode 110 the next cell to be arranged to form a cell stack. Likewise, on one of the cathode 110 opposite side of the arrester 112 another cathode 110 another cell and then another separator 106 and another anode 108 be arranged in the further cell. the cell stack can therefore have a regular layer structure.

Zwischen dem Ableiter 112 und der damit elektrisch leitend verbundenen Elektrode 104 ist zumindest ein seitlich offener Entgasungskanal 122 angeordnet. Der Entgasungskanal 122 ist dazu ausgebildet, Gase seitlich aus der Zelle 100 beziehungsweise seitlich aus dem Zellstapel abzuführen. Der Entgasungskanal 122 ist eine Aussparung, die frei von Material des Ableiters 112 und der Elektrode 104 ist. Der Entgasungskanal 122 verläuft zumindest mit einem Ende bis zu einem Rand der Zelle 100 beziehungsweise des Zellstapels, wodurch die Gase am Rand abgezogen werden können. Beispielsweise können die Gase bei einem Herstellungsprozess der Batteriezelle 102 in der Elektrode 104 entstehen und abgezogen werden, bevor die Umhüllung versiegelt wird. Zum Abziehen der Gase kann ein Unterdruck beziehungsweise näherungsweise ein Vakuum um die Zelle 100 beziehungsweise den Zellstapel erzeugt werden. Da der Entgasungskanal 122 seitlich offen ist und daher mit der Umgebung der Zelle 100 beziehungsweise des Zellstapels in Verbindung steht, herrscht dabei auch im Entgasungskanal der Unterdruck, wodurch die Gase verstärkt durch die Elektrode 104 zum Entgasungskanal 122 diffundieren.Between the arrester 112 and the electrode connected to it in an electrically conductive manner 104 is at least a laterally open degassing channel 122 arranged. The degassing channel 122 is designed to remove gases laterally from the cell 100 or to be removed laterally from the cell stack. The degassing channel 122 is a recess that is free of surge arrester material 112 and the electrode 104 is. The degassing channel 122 runs at least with one end to an edge of the cell 100 or the cell stack, whereby the gases can be drawn off at the edge. For example, the gases in a battery cell manufacturing process 102 in the electrode 104 arise and are peeled off before the wrapper is sealed. A vacuum or approximately a vacuum around the cell can be used to draw off the gases 100 or the cell stack are generated. Because the degassing channel 122 is open on the side and therefore with the surroundings of the cell 100 or the cell stack is connected, the negative pressure also prevails in the degassing channel, as a result of which the gases are amplified by the electrode 104 to the degassing duct 122 diffuse.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Entgasungskanal 122 als Vertiefung im Ableiter 112 ausgeführt. Der Entgasungskanal 122 kann alternativ als Vertiefung in der Elektrode 104 ausgeführt sein. Der Entgasungskanal 122 kann ebenso anteilig in dem Ableiter 112 und der Elektrode ausgebildet sein. Der Entgasungskanal 122 kann durch einen Materialabtrag oder eine Materialverlagerung im Bereich des Entgasungskanals 122 hergestellt werden. Alternativ oder ergänzend kann der Entgasungskanal 122 durch einen Materialauftrag seitlich des Entgasungskanals 122 ausgebildet werden. Der Entgasungskanal 122 kann auch durch ein entfernbares Material ausgebildet werden, um das herum der Ableiter 112 und/oder die Elektrode 104 aufgebaut werden. Zum Schaffen der Aussparung wird das entfernbare Material nach dem Aufbau des Ableiters 112 und/oder dem Aufbau der Elektrode 104 entfernt.In the illustrated embodiment, the degassing channel 122 as a recess in the drain 112 executed. The degassing channel 122 can alternatively as a recess in the electrode 104 be executed. The degassing channel 122 can also be proportionate in the arrester 112 and the electrode. The degassing channel 122 can result from material removal or material displacement in the area of the degassing duct 122 getting produced. As an alternative or in addition, the degassing channel can 122 by applying a material to the side of the degassing duct 122 be formed. The degassing channel 122 can also be formed by a removable material around which the arrester is located 112 and / or the electrode 104 being constructed. The removable material is used to create the recess after the arrester has been installed 112 and / or the structure of the electrode 104 away.

In einem Ausführungsbeispiel sind mehrere Entgasungskanäle 122 nebeneinander angeordnet. Durch mehrere Entgasungskanäle 122 ist eine Diffusionsstrecke innerhalb der Elektrode 104 verkürzt. Die Entgasungskanäle 122 verlaufen hier im Wesentlichen parallel zueinander in regelmäßigen Abständen. Die Entgasungskanäle 122 können sich auch kreuzen.In one embodiment, there are several degassing channels 122 arranged side by side. Through several degassing channels 122 is a diffusion path inside the electrode 104 shortened. The degassing channels 122 run essentially parallel to each other at regular intervals. The degassing channels 122 can also cross.

In einem Ausführungsbeispiel ist der Ableiter 112 mit einem Kohlenstoffmaterial beschichtet. Der zumindest eine Entgasungskanal 122 kann nach dem Beschichten in dem Kohlenstoffmaterial ausgebildet werden oder der Ableiter 112 und eine Oberfläche des Entgasungskanals 122 können nach dem Ausbilden des Entgasungskanals 122 beschichtet werden.In one embodiment, the arrester is 112 coated with a carbon material. The at least one degassing channel 122 can be formed in the carbon material after coating or the arrester 112 and a surface of the degassing channel 122 can after forming the degassing channel 122 be coated.

2 zeigt eine Darstellung eines Ableiters 112 mit Entgasungskanälen 122 für eine Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel. Eine Oberfläche des Ableiters 112 ist durch die Entgasungskanäle 122 strukturiert. Die Entgasungskanäle 122 weisen hier ein im Wesentlichen dreieckiges Profil auf. Das Profil kann je nach Herstellungsart der Entgasungskanäle 122 variieren. Die Entgasungskanäle 122 gehen von einer Seitenkante des Ableiters 112 bis zu einer entgegengesetzten Seitenkante des Ableiters 112 durch, sind also an beiden Seitenkanten offen. Die Entgasungskanäle 122 verlaufen hier geradlinig. 2nd shows a representation of an arrester 112 with degassing channels 122 for a battery cell according to an embodiment. A surface of the arrester 112 is through the degassing channels 122 structured. The degassing channels 122 have an essentially triangular profile here. The profile can vary depending on the type of production of the degassing channels 122 vary. The degassing channels 122 go from one side edge of the arrester 112 up to an opposite side edge of the arrester 112 through, so they are open on both side edges. The degassing channels 122 run straight here.

Mit anderen Worten wird bei dem hier vorgestellten Ansatz eine Strukturierung der Rückkontaktfolie zumindest auf der Kathodenseite einer Polymerelektrode vorgeschlagen, durch die eine gezielte Ableitung von Gasen aus dem Batterie-Stack ermöglicht wird. Für die Strukturierung werden verschiedene Herstellungsmöglichkeiten gezeigt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Gaserzeugung und Entfernung (Formierung) vorgestellt.In other words, in the approach presented here, a structuring of the back contact foil is proposed at least on the cathode side of a polymer electrode, by means of which gases can be discharged in a targeted manner from the battery stack is made possible. Various manufacturing options are shown for the structuring. Furthermore, a process for gas generation and removal (formation) is presented.

In 1 ist ein Aufbau einer Polymerbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel im Schnitt dargestellt. Die einzelnen Schichten sind dabei fest miteinander verbunden, es gibt nahezu kein offenporiges Volumen. Die Polymerbatterie besteht aus Anode 108, Festelektrolyt-Separator 106 und Kathode 110 auf einem metallischen Ableiter 112. Die Anode 108 kann beispielsweise ein Komposit aus Polymerelektrolyt und Graphit oder eine metallische Lithiumfolie sein. Der Separator 106 besteht aus reinem Polymerelektrolyt 116. Die Kathode 110 besteht aus einem Komposit aus Kathodenpartikeln 114, wie beispielsweise LFP, NCA oder NCM, Polymerelektrolyt 116 und Leitruß. Der Ableiter 112 besteht aus einer Metallfolie. Diese kann zusätzlich beschichtet sein. Beispielsweise kann der Ableiter 112 mit einer Kohlenstoffbeschichtung beschichtet sein. Diese Beschichtung ist wenige µm dick. Der Polymerelektrolyt 116 besteht aus einem Polymer und einem Leitsalz.In 1 a structure of a polymer battery according to an embodiment is shown in section. The individual layers are firmly connected to each other, there is almost no open-pore volume. The polymer battery consists of an anode 108 , Solid electrolyte separator 106 and cathode 110 on a metallic arrester 112 . The anode 108 can be, for example, a composite of polymer electrolyte and graphite or a metallic lithium foil. The separator 106 consists of pure polymer electrolyte 116 . The cathode 110 consists of a composite of cathode particles 114 , such as LFP, NCA or NCM, polymer electrolyte 116 and lead black. The arrester 112 consists of a metal foil. This can also be coated. For example, the arrester 112 be coated with a carbon coating. This coating is a few µm thick. The polymer electrolyte 116 consists of a polymer and a conductive salt.

Entsteht in dieser Polymerbatterie Gas, zum Beispiel durch eine Vorentladung (engl. Pre-discharge), beim Zyklieren oder beim Erwärmen auf die Betriebstemperatur, so sammelt sich das Gas normalerweise zwischen Kathode 110 und Ableiter 112. Ohne Entgasungskanäle 122 findet das Gas möglicherweise keinen Weg aus dem Schichtverbund und kann so die Schichtstruktur zerstören.If gas is generated in this polymer battery, for example due to pre-discharge, during cycling or when heating to the operating temperature, the gas normally collects between the cathode 110 and arrester 112 . Without degassing channels 122 the gas may not find a way out of the layer composite and can thus destroy the layer structure.

Hier ist der Ableiter 112 mit Entgasungskanälen 122 strukturiert. Die Strukturen verlaufen dabei in die Ebene und bilden die zusammenhängenden Entgasungskanäle 122. Wichtig ist, dass die Entgasungskanäle 122 bis zum Rand der Ableiterfolie verlaufen. Dadurch können entstehende Gase gezielt aus der Schichtstruktur geleitet werden. Die entstandenen Gase werden durch die Strukturierung im Ableiter 112 aus der Zelle 100 entfernt.Here is the arrester 112 with degassing channels 122 structured. The structures run in the plane and form the connected degassing channels 122 . It is important that the degassing channels 122 run to the edge of the arrester foil. In this way, gases can be directed out of the layer structure. The gases formed are structured in the arrester 112 out of the cell 100 away.

In 2 ist eine perspektivische Darstellung der Strukturierung als gerade durchgängige Entgasungskanäle 122 mit einem Dreiecksprofil gezeigt. Bei der Dimensionierung der Strukturierungen sollte die Tiefe möglichst gering sein. Die Dimensionierung ist dabei bevorzugt < 10 µm, weiter bevorzugt < 5 µm, weiter bevorzugt < 1 µm. Bei beschichteten Ableitern 112 können die Strukturen entweder unter der Beschichtung im Aluminium sein oder nur in der Beschichtung. Die Ableiterfolie insgesamt kann eine Höhe von < 20µm aufweisen. Der Abstand zwischen zwei Strukturen kann dabei bevorzugt < 5 mm sein, weiter bevorzugt < 1 mm, weiter bevorzugt < 0,5 mm. Die Länge der Kanäle kann der Länge des Ableiters 112 entsprechen.In 2nd is a perspective view of the structuring as straight continuous degassing channels 122 shown with a triangular profile. When dimensioning the structuring, the depth should be as small as possible. The dimensioning is preferably <10 µm, more preferably <5 µm, more preferably <1 µm. With coated arresters 112 the structures can either be under the coating in the aluminum or only in the coating. The total conductor foil can have a height of <20 µm. The distance between two structures can preferably be <5 mm, more preferably <1 mm, more preferably <0.5 mm. The length of the channels can be the length of the arrester 112 correspond.

Die Struktur im Aluminium oder der Kohlenstoffschicht kann durch mechanisches Kratzen (Scribing) hergestellt werden. Die Ableiterfolie wird dabei durch Materialentfernen (Abkratzen) mit geraden Strukturen versehen, die z.B. ein dreieckiges Kanalprofil aufweisen. Das Material kann auch durch Laserstrukturierung oder Ätzen entfernt werden. Wie bei Siliciumwafern kann eine beliebige 2-D Struktur durch eine Maske abgedeckt werden. Das Material wird anschließend durch chemisches Ätzen an den nicht bedeckten Stellen entfernt. Dadurch kann beispielsweise ein rechteckiges Kanalprofil erzeugt werden. Die Beschichtung wird dabei an keiner Stelle komplett entfernt. The structure in the aluminum or the carbon layer can be produced by mechanical scratching (scribing). The arrester foil is provided with straight structures by removing material (scraping), which e.g. have a triangular channel profile. The material can also be removed by laser structuring or etching. As with silicon wafers, any 2D structure can be covered by a mask. The material is then removed by chemical etching at the areas not covered. In this way, for example, a rectangular channel profile can be generated. At no point is the coating completely removed.

Alternativ kann Struktur im Aluminium oder der Kohlenstoffschicht durch Prägen hergestellt werden. Die Ableiterfolie kann z.B. durch einen Walzschritt mit einer Kanalstruktur überzogen werden. Auf der Rückseite der Prägung kann dabei eine Wölbung entstehen. Durch die geringen Abmaße der Kanäle ist dies aber kein Problem. Durch Prägen kann beispielsweise ein rundes Kanalprofil erzeugt werden.Alternatively, structure in aluminum or the carbon layer can be produced by stamping. The arrester foil can e.g. are covered with a channel structure by a rolling step. A curvature can occur on the back of the embossing. Due to the small dimensions of the channels, this is not a problem. A round channel profile can be created by embossing, for example.

Eine weitere Möglichkeit zum Erzeugen der Entgasungskanäle 122 ist ein Materialaufbau um die Kanäle beispielsweise durch eine Elektrodeposition.Another way to create the degassing channels 122 is a material build-up around the channels, for example by an electrode deposition.

Das Kathodenkomposit aus Kathodenpartikeln 114 aus beispielsweise LFP, NCA oder NCM, Polymerelektrolyt 116 und Leitruß kann beispielsweise flüssigprozessiert oder trockenprozessiert auf die strukturierte Ableiterfolie aufgebracht werden. Bei dem Flüssigprozess sind die Kompositmaterialien in einem Lösemittel verflüssigt. Die Suspension wird auf die Ableiterfolie aufgebracht und das Lösemittel wird verdampft. Damit die Suspension bzw. die spätere Kathode nicht die Kanäle verstopft können die Entgasungskanäle 122 gering dimensioniert oder speziell beschichtet werden. Bei dem Trockenprozess wird das Kathodenkomposit ohne Lösemittel zu einer dünnen Folie verarbeitet. Diese Folie wird auf die strukturierte Ableiterfolie auflaminiert. Ein Verstopfen der Kanäle ist dadurch nahezu ausgeschlossen.The cathode composite made of cathode particles 114 for example from LFP, NCA or NCM, polymer electrolyte 116 and conductive carbon black can, for example, be liquid-processed or dry-processed on the structured conductor foil. In the liquid process, the composite materials are liquefied in a solvent. The suspension is applied to the discharge foil and the solvent is evaporated. So that the suspension or the later cathode does not clog the channels, the degassing channels 122 small dimensions or specially coated. In the drying process, the cathode composite is processed into a thin film without solvent. This film is laminated onto the structured arrester film. Clogging of the channels is almost impossible.

Durch eine Formierung (Predischarge) vor dem ersten Laden kann effektiv ein Gehalt an Verunreinigungen in der Batterie verringert werden. Zum Formieren kann sich die Zelle 100 in einer offenen oder geschlossenen Pouchtüte (je nach Umgebungsbedingungen) befinden. Die Zelle 100 wird kontaktiert und das Potential an der Kathode wird verringert. Dadurch werden unter Anderem bestimmte Spezies, wie Wasser oder Lösemittelmoleküle in der Batterie reduziert. Beim Formieren entstehen Gase, wie Wasserstoff, die aufgrund ihres großen Volumens durch die Kanäle aus der Zelle 100 geleitet werden. Die geschlossene Pouchtüte wird geöffnet, die Gase werden abgelassen, die Pouchtüte wird evakuiert und verschlossen. Die offene Pouchtüte wird evakuiert und verschlossen.A formation (predischarge) before the first charging can effectively reduce the content of impurities in the battery. The cell can be used to form 100 in an open or closed pouch (depending on the ambient conditions). The cell 100 is contacted and the potential at the cathode is reduced. This reduces certain species, such as water or solvent molecules in the battery. During the formation, gases, such as hydrogen, are created which, due to their large volume, pass through the channels from the cell 100 be directed. The closed pouch is opened, the gases are released, the pouch is evacuated and closed. The open pouch is evacuated and closed.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.In conclusion, it should be pointed out that terms such as "showing", "comprehensive", etc. do not exclude other elements or steps and terms such as "one" or "one" do not exclude a large number. Reference signs in the claims are not to be viewed as a restriction.

Claims

Battery cell (102) with at least one electrochemical cell (100), which is provided by two electrodes (104), which are electrically separated and chemically interact using a separator (106) made of solid electrolyte (118) and act as anode (108) and cathode (110) is formed, at least one of the electrodes (104) on the side facing away from the separator (106) being electrically conductively connected to a flat, electrically conductive arrester (112), at least one between the electrode (104) and the arrester (112) laterally open degassing channel (122) is arranged for discharging gases.

Battery cell (102) according to Claim 1 , in which at least two intersecting degassing channels (122) are arranged between the electrode (104) and the arrester (112).

Battery cell (102) according to one of the preceding claims, in which the degassing channel (122) is designed as a depression in the arrester (112).

Battery cell (102) according to one of the preceding claims, in which at least two degassing channels (122) which are parallel within a manufacturing tolerance are arranged between the electrode (104) and the arrester (112).

The battery cell (102) according to any one of the preceding claims, wherein the at least the degassing channel (122) has a surface made of a carbon material.

Battery cell (102) according to one of the preceding claims, in which the degassing channel (122) has a depth of less than 10 µm, in particular less than 5 µm, in particular less than 1 µm.

Battery cell (102) according to one of the preceding claims, in which the arrester (112) has a thickness of less than 20 µm.

Battery cell (102) according to one of the preceding claims, in which the conductor (112) is electrically conductively connected to a further electrode on a side opposite the electrode (104), wherein on both sides of the conductor (112) between the electrode (104) and at least one laterally open degassing channel (122) is arranged for the trap (112).

Method for producing a battery cell (102) with at least one electrochemical cell (100), which has two electrodes (104), which are electrically separated and chemically interact using a separator (106) and act as anode (108) and cathode (110) is built up, at least one of the electrodes 104) being electrically conductively connected to a flat, electrically conductive arrester (112) on the side facing away from the separator (106), and at least one laterally between the electrode (104) and the arrester (112) an open degassing channel (122) for discharging gases is arranged, the battery cell (102) being formed using a forming process, degassing using the degassing channel (122), and an envelope of the battery cell (102) being sealed in a fluid-tight manner after degassing.

Procedure according to Claim 9 , in which the degassing channel (122) is formed by material removal from a surface of the arrester (112).

Procedure according to Claim 9 , in which the degassing channel (122) is formed by applying a material to a surface of the arrester (112).

Procedure according to Claim 9 , in which the degassing channel (122) is formed by reshaping the trap (112).