DE102018220940A1 - Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellelements sowie Batteriezellelement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellelements (100) wobei eine Elektrodenanordnung (1) umfassend ein Anodenelement (2), ein Kathodenelement (3) und ein zwischen dem Anodenelement (2) und dem Kathodenelement (3) angeordnetes Separatorelement (4) zu einer elektrischen Isolation des Anodenelements (2) und des Kathodenelements (3) voneinander mittels einer Polymerisation in Art in einem polymeren Werkstoff (9) aufgenommen wird, dass von dem Separatorelement (4) unbedeckte Bereiche (7) des Anodenelements (2) und des Kathodenelements (3) vollständig von dem polymeren Werkstoff (9) bedeckt sind.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellelements nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
  • Ferner betrifft die Erfindung auch ein Batteriezellelement, welches insbesondere mittels eines solchen Verfahrens ausgebildet wurde.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellelements mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet insbesondere den Vorteil, dass eine zuverlässige elektrische Isolation zwischen einem Anodenelement und einem Kathodenelement einer Elektrodenanordnung des Batteriezellelements ausgebildet werden kann.
  • Dazu wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Verfügung gestellt, welches zur Herstellung eines Batteriezellelements ausgebildet ist.
  • Dabei wird eine Elektrodenanordnung mittels einer Polymerisation in einem polymeren Werkstoff aufgenommen.
  • Die Elektrodenanordnung umfasst dabei zumindest ein Anodenelement, ein Kathodenelement und ein Separatorelement, welches zwischen dem Kathodenelement und dem Anodenelement angeordnet ist.
  • Eine solche Elektrodenanordnung wird dabei nun mittels der Polymerisation in der Art in dem polymeren Werkstoff aufgenommen, dass zu einer elektrischen Isolation des Anodenelements und des Kathodenelements voneinander von dem Separatorelement unbedeckte Bereiche des Anodenelements und/oder des Kathodenelements vollständig von dem polymeren Werkstoff bedeckt sind.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
  • Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Elektrodenanordnungen dabei zuverlässig in einem polymeren Werkstoff, welcher dabei bevorzugt als ein zu einer elektrischen Isolation ausgebildetes Material dienen kann, aufgenommen werden, wodurch eine zuverlässige elektrische Isolation des Anodenelements und des Kathodenelements voneinander ausgebildet wird.
  • Somit können alle sicherkritischen Bereiche der Elektrodenanordnung hinsichtlich des Auftretens von Kurzschlüssen zuverlässig elektrisch isoliert werden, sodass kein direkter Kontakt zweier unterschiedlicher metallischer Werkstoffe, welcher zu einem sicherheitskritischen Verhalten der Elektrodenanordnung führen könnte, ausgebildet ist.
  • An dieser Stelle sei hierzu angemerkt, dass die Elektrodenanordnung insbesondere eine Elektrodenanordnung einer sogenannten Festkörperelektrolyt-Batteriezelle ist. Üblicherweise umfassen solche Elektrodenanordnungen von Festkörperelektrolyten-Batteriezellen eine Abfolge kontinuierlich und alternierend angeordneter Anodenelementen, Kathodenelementen und Separatorelementen, wobei eine solche Abfolge zu Englisch auch als „battery cell stack“ bekannt ist. Insbesondere umfasst das Separatorelement dabei zumindest einen Festkörperelektrolyten oder ist als zumindest teilweise oder gänzlich als Festkörperelektrolyt ausgebildet.
  • Von Vorteil ist es, wenn das Separatorelement mit dem Anodenelement oder dem Kathodenelement verbunden ist. Bevorzugt ist eine solche Verbindung stoffschlüssig ausgebildet.
  • Dies bietet den Vorteil, dass es möglich ist, das Separatorelement zuverlässig anzuordnen, da Separatorelemente üblicherweise den Nachteil aufweisen, dass diese keine oder nur eine unzureichende Eigenstabilität für ein Anordnen ohne eine weitere Befestigung aufweisen.
  • Es ist zweckmäßig, wenn die Elektrodenanordnung weiterhin eine Mehrzahl an in einer Längsrichtung des Batteriezellelements alternierend angeordneten Anodenelementen und Kathodenelementen umfasst. Dabei ist jeweils zwischen einem Anodenelement und einem Kathodenelement ein Separatorelement angeordnet.
  • Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass ein Anodenelement stets von zwei Separatorelementen umgeben ist und dass ein Kathodenelement stets von zwei Separatorelementen umgeben ist.
  • Weiterhin mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass die Elektrodenanordnung in einer Längsrichtung des Batteriezellelements eine Mehrzahl an aufeinanderfolgenden Abfolgen von einem Separatorelement, einem Kathodenelement, einem Separatorelement und einem Anodenelement aufweist.
  • Dadurch ist es möglich, dass die Elektrodenanordnung eine höhere Leistung- bzw. Energiedichte aufweisen kann.
  • Von Vorteil ist es, wenn das Anodenelement weiterhin ein elektrisch leitend mit dem Anodenelement verbundenen Anodenspannungsabgriff ausbildet oder umfasst.
  • Von Vorteil ist es, wenn das Kathodenelement weiterhin ein elektrisch leitend mit dem Kathodenelement verbunden Kathodenspannungsabgriff ausbildet oder umfasst.
  • Dadurch kann auf zuverlässige Weise die Spannung des Anodenelements bzw. des Kathodenelements abgegriffen werden und die einzelnen Anodenelemente bzw. Kathodenelemente können elektrisch leitend seriell und/oder parallel miteinander verschaltet werden.
  • Gemäß einem zweckmäßigen Aspekt der Erfindung sind der Anodenspannungsabgriff und/oder der Kathodenspannungsabgriff jeweils elastisch und/oder plastisch verformbar ausgebildet. Bevorzugt sind der Anodenspannungsabgriff und/oder der Kathodenspannungsabgriff dabei als Spannungsabgriffsfähnchen, welche zu Englisch auch als „flag“ bezeichnet sein können, ausgebildet.
  • Eine solche Ausbildung bietet den Vorteil, dass auf einfache Weise die einzelnen Spannungsabgriffe insbesondere mit zu einer elektrischen Verschaltung der einzelnen Anodenelemente und der einzelnen Kathodenelemente miteinander ausgebildeten Zellverbindern verbunden werden können.
  • Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung werden zur Polymerisation Monomere mittels eines Vakuums in die Elektrodenanordnung eingebracht.
  • Des Weiteren wird die Polymerisation dabei bevorzugt thermisch oder mittels UV-Strahlung ausgelöst.
  • Dies bietet den Vorteil, dass die Monomere vor Ausbildung der Polymerisation und somit auch der polymere Werkstoff nach Ausbildung der Polymerisation zuverlässig in zwischen den einzelnen Bestandteilen der Elektrodenanordnung angeordnet werden können, wodurch eine besonders zuverlässige elektrische Isolation ausgebildet werden kann.
  • Insbesondere können dabei die Monomere vor Ausbildung der Polymerisation und somit auch der polymere Werkstoff nach Ausbildung der Polymerisation die bevorzugt als Spannungsabgriffsfähnchen ausgebildeten Anodenspannungsabgriff bzw. Kathodenspannungsabgriff aufnehmen und zumindest teilweise umgeben.
  • Besonders bevorzugt wird der polymere Werkstoff dabei ausgewählt als Polyethylen oder als Polypropylen.
  • Diese polymeren Werkstoffe bieten dabei den besonderen Vorteil, dass sie zuverlässig innerhalb der Elektrodenanordnung bzw. an der Elektrodenanordnung polymerisiert werden können.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • 1 schematisch eine erste Problematik einer Elektrodenanordnung gemäß dem Stand der Technik,
    • 2 schematisch eine zweite Problematik einer Elektrodenanordnung gemäß dem Stand der Technik,
    • 3 einen ersten Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Batteriezellelements und
    • 4 einen zweiten Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Batteriezellelements.
  • Die 1 zeigt eine Elektrodenanordnung 1, sowohl in einer schematischen Ansicht von der Seite als auch in einem vergrößert dargestellten Ausschnitt.
  • Die Elektrodenanordnung 1 umfasst dabei ein Anodenelement 2, welches beispielsweise bevorzugt als eine Lithium umfassende Folie ausgebildet sein kann. Weiterhin umfasst die Elektrodenanordnung 1 ein Kathodenelement 3, welches beispielsweise bevorzugt als ein Kathodenverbund 30 umfassend eine Aluminiumschicht 31 sowie zwei Beschichtungen 32 ausgebildet sein kann.
  • Ferner umfasst die Elektrodenanordnung 1 auch ein Separatorelement 4, welches zwischen dem Anodenelement 2 und dem Kathodenelement 3 angeordnet ist.
  • Ferner umfasst die Elektrodenanordnung 1 auch einen Anodenspannungsabgriff 5 sowie einen Kathodenspannungsabgriff 6, welche jeweils elastisch und/oder plastisch verformbar ausgebildet sind.
  • Bevorzugt sind der Anodenspannungsabgriff 5 sowie der Kathodenspannungsabgriff 6 als Spannungsabgriffsfähnchen 50, 60 ausgebildet.
  • Dabei zeigt die 1, dass das Separatorelement 4 das Anodenelement 2 nicht vollständig bedeckt, sodass ein von dem Separatorelement 4 unbedeckter Bereich 7 des Anodenelements 2 ausgebildet ist.
  • Dadurch ist es möglich, dass der Kathodenspannungsabgriff 6 bzw. das Spannungsabgriffsfähnchen 60 eine unmittelbare mechanische und auch elektrisch leitende Verbindung mit dem Anodenelement 2 insbesondere dem von dem Separatorelement 4 unbedeckter Bereich 7 des Anodenelements 2 ausbilden kann, wodurch innerhalb des mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten Kreises ein elektrischer Kurzschluss auftreten kann und somit eine sicherheitskritische Situation entstehen kann.
  • Hierzu sei in dieser Stelle angemerkt, dass dieselbe Problematik auch für den Anodenspannungsabgriff 5 bzw. der Spannungsabgriffsfähnchen 50 bestehen kann.
  • Die 2 zeigt eine Elektrodenanordnung 1 sowohl in einer schematischen Ansicht von der Seite als auch in einem vergrößert dargestellten Ausschnitt.
  • Die Elektrodenanordnung 1 entspricht dabei der in der 1 bereits dargestellten Elektrodenanordnung 1 und weist somit sowohl das Anodenelement 2, das Kathodenelement 3 und das Separatorelement 4 auf.
  • Dabei kann das Anodenelement 2 beispielsweise bevorzugt als eine Lithium-Folie ausgebildet sein.
  • Dabei kann das Kathodenelement 2 bevorzugt als Kathodenverbund 30 umfassend eine Aluminiumschicht 31 sowie zwei Beschichtungen 32 ausgebildet sein.
  • Hierbei besteht die Problematik, dass, wie in dem vergrößert dargestellten Ausschnitt schematisch dargestellt ist, eine Kante 81 des Anodenelements 2 und eine Kante 82 des Kathodenelements 3, insbesondere eine Kante 83 der Aluminiumschicht 31, aufgrund der Herstellung des Elektronenelements 1 im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind, wodurch die Gefahr besteht, dass beispielsweise durch elektrisch leitende Partikel, welche sowohl die Kante 81 als auch die Kante 82 bzw. die Kante 83 berühren, eine elektrisch leitende Verbindung ausgebildet werden kann.
  • Weiterhin kann auch ein Wachstum von Lithium-Dendriten an dem Anodenelement 2 bzw. an der Kante 81 des Anodenelements 2 zur einer Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Anodenelement 2 und dem Kathodenelement 3 führen.
  • Ferner ist es auch möglich, dass freies Aluminium, welches beispielsweise am Separatorelement 4 gebunden ist, das Anodenelement 2 und das Kathodenelement 3 elektrisch leitend verbindet.
  • Dadurch besteht die Gefahr elektrischer Kurzschlüsse zwischen dem Anodenelement 2 und dem Kathodenelement 3.
  • Die 3 zeigt dabei einen ersten Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Batteriezellelements 100, welches die genannte erste und zweite Problematik des Stands der Technik überwinden kann.
  • Ferner zeigt die 4 dabei einen zweiten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Batteriezellelements 100 gemäß 3.
  • Das erfindungsgemäße Batteriezellelement 100 soll nun anhand der 3 und 4 gemeinsam beschrieben werden.
  • Das Batteriezellelement 100 umfasst dabei eine Elektrodenanordnung 1. Die Elektrodenanordnung 1 umfasst dabei ein Anodenelement 2, welches beispielsweise bevorzugt als eine Lithium umfassende Folie ausgebildet sein kann. Weiterhin umfasst die Elektrodenanordnung 1 ein Kathodenelement 3, welches beispielsweise bevorzugt als ein Kathodenverbund 30 umfassend eine Aluminiumschicht 31 sowie zwei Beschichtungen 32 ausgebildet sein kann.
  • Ferner umfasst die Elektrodenanordnung 1 auch ein Separatorelement 4, welches zwischen dem Anodenelement 2 und dem Kathodenelement 3 angeordnet ist.
  • Ferner umfasst die Elektrodenanordnung 1 auch einen Anodenspannungsabgriff 5, welcher in den 3 und 4 nicht zu erkennen ist, allerdings gemäß den in den 1 und 2 zu erkennenden Spannungsabgriffen ausgebildet sein kann, sowie einen Kathodenspannungsabgriff 6, welche jeweils elastisch und/oder plastisch verformbar ausgebildet sind.
  • Bevorzugt sind der Anodenspannungsabgriff 5 sowie der Kathodenspannungsabgriff 6 als Spannungsabgriffsfähnchen 50, 60 ausgebildet.
  • Dabei zeigen die 3 und 4, dass das Separatorelement 4 das Anodenelement 2 nicht vollständig bedeckt, sodass ein von dem Separatorelement 4 unbedeckter Bereich 7 des Anodenelements 2 ausgebildet ist.
  • Zu einer elektrischen Isolation des Anodenelements 2 von dem Kathodenelement 3 wird dabei erfindungsgemäß mittels einer Polymerisation die Elektrodenanordnung 1 in der Art in einem polymeren Werkstoff 9 aufgenommen, dass die von dem Separatorelement 4 unbedeckten Bereiches 7 des Anodenelements 2 und/oder des Kathodenelements 3 vollständig von dem polymeren Werkstoff 9 bedeckt sind.
  • Besonders bevorzugt ist der polymere Werkstoff dabei ausgewählt als Polyethylen oder als Polypropylen.
  • Bevorzugt ist dabei das Separatorelement 4 mit dem Anodenelement 2 oder dem Kathodenelement 3 verbunden.
  • Insbesondere aus der 3 zu erkennen, dass die Elektrodenanordnung 1 bzw. das Batteriezellelement 100 weiterhin eine Mehrzahl an in einer Längsrichtung 11 des Batteriezellelements 100 alternierend angeordneten Anodenelementen 2 und Kathodenelementen 3 umfasst. Dabei ist jeweils zwischen einem Anodenelement 2 und einem Kathodenelement 3 ein Separatorelement 4 angeordnet.
  • Das Anodenelement 2 weist weiterhin einen elektrisch leitend mit dem Anodenelement 2 verbundenen Anodenspannungsabgriff 5 auf, wobei das Anodenelement 2 den Anodenspannungsabgriff 5 ausbildet oder umfasst.
  • Der Anodenspannungsabgriff 5 ist dabei in den 3 und 4 nicht gezeigt, kann jedoch analog des Anodenspannungsabgriffs gemäß den 1 und 2 ausgebildet sein.
  • Das Kathodenelement 3 weist weiterhin einen elektrisch leitend mit dem Kathodenelement 3 verbunden Kathodenspannungsabgriff 6 auf, wobei das Kathodenelement 3 den Kathodenspannungsabgriff 6 ausbildet oder umfasst. Insbesondere die 4 zeigt dabei auch den Kathodenspannungsabgriff 6.
  • Bevorzugt sind dabei der Anodenspannungsabgriff 5 und/oder der Kathodenspannungsabgriff 6 jeweils elastisch und/oder plastisch verformbar ausgebildet und insbesondere als Spannungsabgriffsfähnchen 50, 60 ausgebildet.
  • Insbesondere in den 1, 2 und 4 ist dabei bei der Ausbildung Spannungsabgriff 5 bzw. des Kathodenspannungsabgriff 6 als Spannungsabgriffsfähnchen 50, 60 zu erkennen.
  • Um die Elektrodenanordnung 1 mittels einer Polymerisation in dem polymeren Werkstoff 9 aufzunehmen, ist es besonders bevorzugt, die Monomere als Ausgangsstoffe des polymeren Werkstoffessen 9 beispielsweise mittels eines Vakuums in die Elektrodenanordnung 1 einzubringen, worunter insbesondere verstanden sein soll, dass die Monomere möglichst alle ausgebildeten Hohl-und Zwischenräume in der Elektrodenanordnung 1 ausfüllen können und weiterhin auch die von dem Separatorelement 4 unbedeckten Bereiche 70 des Anodenelements 2 bzw. des Kathodenelements 3 umschließen können.
  • Anschließend kann die Polymerisation thermisch oder mittels UV-Strahlung ausgelöst werden.
  • Dabei zeigt die 3, dass durch eine vollständige Bedeckung der von dem Separatorelement 4 unbedeckten Bereiche 7 des Anodenelements 2 bzw. des Kathodenelements 3 die anhand der 2 beschriebene zweite Problematik des Standes der Technik überwunden werden kann und somit das Risiko für elektrische Kurzschlüsse reduziert bzw. ausgeschlossen werden kann.
  • Dabei zeigt die 4, dass durch eine vollständige Bedeckung der von dem Separatorelement 4 unbedeckten Bereiche 7 des Anodenelements 2 bzw. des Kathodenelements 3 die anhand der 1 beschriebene erste Problematik des Stands der Technik überwunden werden kann und somit das Risiko für elektrische Kurzschlüsse im Bereich der jeweiligen Spannungsabgriffe 5, 6 bzw. der Spannungsabgriffsfähnchen 50, 60 reduziert bzw. ausgeschlossen werden kann.
  • Insbesondere ist es dadurch möglich, dass die Anodenelemente 2 und die Kathodenelemente 3 sowie auch die Separatorelemente 4 jeweils dieselbe Größe bzw. dieselben Abmessungen aufweisen können, da die Kanten 81, 82 und 83 von dem polymeren Werkstoff 9 bedeckt sind. Beispielsweise kann dadurch auch der Herstellungsprozess vereinfacht werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellelements (100) wobei eine Elektrodenanordnung (1) umfassend ein Anodenelement (2), ein Kathodenelement (3) und ein zwischen dem Anodenelement (2) und dem Kathodenelement (3) angeordnetes Separatorelement (4) zu einer elektrischen Isolation des Anodenelements (2) und des Kathodenelements (3) voneinander mittels einer Polymerisation in Art in einem polymeren Werkstoff (9) aufgenommen wird, dass von dem Separatorelement (4) unbedeckte Bereiche (7) des Anodenelements (2) und des Kathodenelements (3) vollständig von dem polymeren Werkstoff (9) bedeckt sind.
  2. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Separatorelement (4) mit dem Anodenelement (2) oder dem Kathodenelement (3) verbunden ist.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (1) weiterhin eine Mehrzahl an in einer Längsrichtung (11) des Batteriezellelements (100) alternierend angeordneten Anodenelementen (2) und Kathodenelementen (3) umfasst, wobei jeweils zwischen einem Anodenelement (2) und einem Kathodenelement (3) ein Separatorelement (4) angeordnet ist.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin das Anodenelement (2) einen elektrisch leitend mit dem Anodenelement (2) verbundenen Anodenspannungsabgriff (5) ausbildet oder umfasst und weiterhin das Kathodenelement (3) einen elektrisch leitend mit dem Kathodenelement (3) verbunden Kathodenspannungsabgriff (6) ausbildet oder umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenspannungsabgriff (5) und/oder der Kathodenspannungsabgriff (6) jeweils elastisch und/oder plastisch verformbar, insbesondere als Spannungsabgriffsfähnchen (50, 60), ausgebildet sind.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wobei zur Polymerisation Monomere mittels eines Vakuums in die Elektrodenanordnung (1) eingebracht werden und weiterhin die Polymerisation thermisch oder mittels UV-Strahlung ausgelöst wird.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der polymere Werkstoff (9) ausgewählt wird als Polyethylen oder als Polypropylen.
  8. Batteriezellelement insbesondere ausgebildet mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Elektrodenanordnung (1) umfassend ein Anodenelement (2), ein Kathodenelement (3) und ein zwischen dem Anodenelement (2) und dem Kathodenelement (3) angeordnetes Separatorelement (4), wobei zu einer elektrischen Isolation des Anodenelements (2) und des Kathodenelements (3) voneinander die Elektrodenanordnung (1) in der Art in einem polymeren Werkstoff (9) aufgenommen ist, dass von dem Separatorelement (4) unbedeckte Bereiche (7) des Anodenelements (2) und des Kathodenelements (3) vollständig von dem polymeren Werkstoff (9) bedeckt sind.
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