DE102019118109A1

DE102019118109A1 - Verfahren zum Herstellen einer Elektrode

Info

Publication number: DE102019118109A1
Application number: DE102019118109.7A
Authority: DE
Inventors: Katja Tenhaeff; Rainer Stern
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2021-01-07

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, insbesondere für Lithiumionen-Energiespeicher, umfassend die Schritte:- Bereitstellen eines mit einem Aktivmaterial beschichteten Grundmaterials;- Fördern des Grundmaterials entlang einer Förderrichtung;- Abschnittsweise Verdichten des Aktivmaterials derart, dass in einem Verdichtungsschritt erste und zweite Bereiche entstehen, wobei die zweiten Bereiche nicht oder weniger stark verdichtet sind als die zweiten Bereiche;- Verdichten der zweiten Bereiche in einem weiteren Verdichtungsschritt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, beispielsweise für Lithiumionenakkumulatoren/-Batterien, eine Vorrichtung zum Herstellen einer Elektrode, eine Elektrode, insbesondere für Lithiumionenakkumulatoren/-Batterien, sowie einen Energiespeicher.
Eine besondere Herausforderung bei der Herstellung von Energiespeichern, wie beispielsweise Lithiumionenzellen, stellt die Elektrodenfertigung dar. Die Elektroden werden durch mit Aktivmaterial beschichtete Folien gebildet. Nach dem Beschichten und ggf. Trocknen wird das Aktivmaterial, insbesondere zum Einstellen einer Porosität, verdichtet, beispielsweise in einem Kalander. Hierbei besteht allerdings oft das Problem, dass es zu unerwünschten Verformungen des Grundmaterials bzw. der Folie kommt. Insbesondere in den unbeschichteten Bereichen der (Träger-)Folie entstehen durch die Krafteinleitung z. B. Falten, welche zu Qualitätseinbußen führen und unter anderem auch eine Weiterverarbeitung der Folien erschweren. So können sich durch die Vorschädigung in nachgelagerten Prozessschritten, beispielsweise beim Zuschneiden der Folien, Risse und dergleichen bilden. Auch das Schneiden mittels Laser ist ggf. erschwert, da nicht richtig fokussiert werden kann. Um diesen Problemen zu begegnen, schlägt die EP 2 296 209 A1 eine Erwärmung der nicht beschichteten Bereiche der Trägerfolie vor. Die DE 10 2017 215 143 A1 verwendet eine Metallfolie, die, wenn sie in einer Bahnebene als Bahn ausgebreitet ist, eine in der Bahnebene liegende Krümmung aufweist. Durch eine entsprechende Druckaufbringung beim Kalandrieren wird diese Krümmung wieder entfernt, wobei der vorgenannte unerwünschte Verformungseffekt beim Endmaterial nicht vorhanden sein soll. Die bekannten Ansätze stellen sich allerdings als fertigungstechnisch sehr aufwändig dar.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, eine Vorrichtung zum Herstellen einer Elektrode, eine Elektrode sowie einen Energiespeicher anzugeben, welche die vorgenannten Probleme beseitigen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11, eine Elektrode gemäß Anspruch 12 sowie durch einen Energiespeicher gemäß Anspruch 13 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode oder Kollektorfolie, insbesondere für Lithiumionenenergiespeicher, die Schritte:

- Bereitstellen eines mit einem Aktivmaterial beschichteten Grundmaterials;
- Fördern des Grundmaterials entlang einer Förderrichtung;
- Abschnittsweise Verdichten des Aktivmaterials derart, dass in einem, beispielsweise ersten, Verdichtungsschritt erste und zweite Bereiche entstehen, wobei die zweiten Bereiche nicht oder weniger stark verdichtet sind als die zweiten Bereiche;
- Verdichten der zweiten Bereiche in einem weiteren, beispielsweise zweiten, Verdichtungsschritt.

Bei dem Grundmaterial handelt es sich insbesondere um eine Trägerfolie. Abhängig davon, ob es sich bei der Elektrode um eine Elektrode für die Anode oder die Kathode handelt, ist das Material der Trägerfolie entsprechend gewählt. Im Falle der Anode ist die Trägerfolie typischerweise eine Kupferfolie, im Falle der Kathode ist die Trägerfolie typischerweise eine Aluminiumfolie. Bevorzugte Foliendicken schwanken dabei, je nach Zelldesign, beispielsweise zwischen etwa 6 µm und 25 µm. Bevorzugt ist die Aluminiumfolie gewalzt. Bevorzugt ist die Kupferfolie gewalzt oder elektrolytisch hergestellt. Das Grundmaterial bzw. die Trägerfolie ist mit dem jeweiligen Aktivmaterial beschichtet. Dies erfolgt beispielsweise mit geeigneten Auftragswerkzeugen, wie Schlitzdüsen, Rakel, Rasterwalzen etc. Die Beschichtung kann hierbei, entlang einer Bahnrichtung, der Trägerfolie gesehen, welche auch der vorgenannten Förderrichtung entspricht, entweder kontinuierlich oder intermittierend erfolgen bzw. aufgetragen sein, insbesondere auch ein- oder beidseitig. Alternativ kann es sich bei dem Grundmaterial bzw. der Trägerfolie auch um eine Kunststofffolie handeln, welche in geeigneter Weise, beispielsweise mit einem Metall, beschichtet ist. Gemäß einer Ausführungsform weist die Elektrode/Kollektorfolie einen oder mehrere kontinuierliche oder intermittierende Beschichtungsstreifen mit dazwischenliegenden bzw. außenliegenden unbeschichteten Bereichen auf. Insbesondere bei einem Elektrodendesign mit einem oder mehreren kontinuierlichen oder intermittierenden Beschichtungsstreifen und einem, zwei oder mehreren blanken Metallstreifen bzw. unbeschichteten Bereichen, kommt es zu starken Verformungen des Grundmaterials. Dies zeigt sich z. B. im Faltenwurf, insbesondere in den unbeschichteten Rand- oder Mittelstreifen, einem Ausbeulen des Grundmaterials im beschichteten Bereich, einer Längendifferenz des Grundmaterials zwischen beschichteten und unbeschichteten Bereichen bzw. der Ausbildung einer „Bananenform“ nach einem Schneidvorgang des Grundmaterials entlang der Bahnrichtung. Dies führt zu Verarbeitungsproblemen beim Aufwickeln im Kalander oder nachfolgenden Prozessschritten: z. B. Falten- und Rissentstehung im Rollenschneidprozess, Fokussierproblemen beim Laser-Notching, Wickelproblemen beim Herstellen von Jelly-Rolls durch die Bananenform etc. Insbesondere, wenn das Grundmaterial nur bereichsweise beschichtet ist, zeigt es ein sehr unterschiedliches mechanisches Verhalten, welches gerade bei Krafteinwirkung zu den vorbeschriebenen Problemen führt. Durch die zumindest zwei Verdichtungsschritte und die jeweils nur teilweise Krafteinleitung in das Grundmaterial bzw. in das Aktivmaterial, kann eine Reduktion oder Elimination etwaiger auftretender Tangentialkräfte reduziert oder sogar eliminiert werden, wodurch die Verformung des Grundmaterials reduziert wird. Mit den vorgenannten Tangentialkräften sind insbesondere die Kräfte gemeint, welche entlang bzw. entgegen der Förder- bzw. Bahnrichtung wirken. Mit Vorteil werden dadurch die geometrischen Inkompatibilitäten zwischen beschichteten und unbeschichteten Bereichen und somit Faltenwurf und Ausbeulen minimiert. Gemäß einer Ausführungsform sind zwei Verdichtungsschritte vorgesehen. Alternativ können auch drei, vier oder mehrere Verdichtungsschritte vorgesehen sein, wobei nach dem letzten Verdichtungsschritt das Aktivmaterial bevorzugt ein homogenes Verdichtungsergebnis aufweist. Mit anderen Worten weist die Beschichtung also keine Strukturierung oder dergleichen auf, sondern ist glatt oder eben. Die Verdichtungsschritte bzw. die dazu verwendeten Werkzeuge sind derart aufeinander abgestimmt, dass beim vollständigen Durchlaufen eine glatte bzw. ebene Beschichtung hergestellt ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Verdichten des Aktivmaterials durch zumindest zwei aufeinanderfolgende, unterschiedlich strukturierte, Walzen, insbesondere Walzenpaare.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Verdichtung in einem Kalander. Durch die Verwendung von Kalanderwalzen, die in regelmäßigen Abständen Aussparungen, beispielsweise in Querrichtung, aufweisen, wird die Förderung von Materialfronten vor den Kalanderwalzen unterbrochen. Um eine gleichmäßige Verdichtung zu erreichen, sind mindestens zwei Walzstufen mit entsprechender Abstimmung der Drehbewegung(en) erforderlich.
Eine Breite der Walzen bzw. der Kalander ist zweckmäßigerweise zumindest so breit wie das Grundmaterial, sodass über eine Breite des beschichteten Bereichs eine vollständige Bearbeitung erfolgen kann.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die Walzen quer zur Förderrichtung verlaufende Ausnehmungen auf, insbesondere Rillen. Ein Querschnitt der Rillen kann dabei eckig, insbesondere dreieckig, quadratisch oder rechteckig, alternativ aber auch rund oder abgerundet ausgebildet sein, gemäß einer Ausführungsform beispielsweise auch halbkreisförmig etc.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Walzen entlang und/oder quer zur Förderrichtung strukturiert. Gemäß einer Ausführungsform sind beispielsweise die vorgenannten Rillen ihrerseits durch Ausnehmungen unterbrochen, wodurch sich eine Art Schachbrettstruktur ergibt. Dadurch kann ggf. eine noch besser verteilte Krafteinleitung erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Verwenden einer Vielzahl von Stempelwerkzeugen zum Verdichten, wobei das Grundmaterial diskontinuierlich gefördert wird.

Gemäß einer Ausführungsform sind entlang der Förderrichtung, ggf. auch quer dazu, mehrere Stempelwerkzeuge oder Stempeleinheiten angeordnet, welche lokal oder abschnittsweise flächig das Aktivmaterial verdichten. Gemäß einer Ausführungsform sind die Stempel der Stempelwerkzeuge dabei zumindest so breit wie die beschichteten Bereiche bzw. wie das Grundmaterial. Entsprechend sind zweckmäßigerweise mehrere Stempelwerkzeuge oder Stempeleinheiten entlang der Förderrichtung hintereinander angeordnet. Im Zusammenspiel mit einer entsprechend ausgelegten Förderung des Ausgangsmaterials kann so ein vollständiges Bearbeiten oder Verdichten des Aktivmaterials erfolgen. Gemäß einer Ausführungsform sind auch quer zur Förderrichtung mehrere Stempel bzw. auch Stempelwerkzeuge vorgesehen, ggf. voneinander beabstandet, sodass auch entgegen der Förderrichtung eine zunächst nur bereichsweise Verdichtung erfolgt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Verdichten, insbesondere abschließendes Verdichten oder Homogenisieren, durch Kalandrieren.

Zweckmäßigerweise stellen die zumindest zwei Verdichtungsschritte eine erste Verdichtungsstufe dar, während eine zweite Verdichtungsstufe durch ein konventionelles Kalandrieren erfolgt. Durch das (abschließende) Kalandrieren soll insbesondere die Verdichtungsgenauigkeit bzw. Homogenität sichergestellt werden. Hierzu weist der Kalander zweckmäßigerweise herkömmliche, glatte Walzen auf.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Aufbringen eines Last- und/oder Temperaturprofils beim Verdichten, insbesondere in der ersten Verdichtungsstufe.

Dadurch ist es insbesondere möglich, den Verdichtungsprozess „schonender“ zu gestalten.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Aufbringen einer, insbesondere zusätzlichen, Kraftkomponente entlang/entgegen und/oder quer zur Förderrichtung beim Verdichten, insbesondere in der ersten Verdichtungsstufe.

Mit Vorteil wird der vertikalen Kraftkomponente eine geringe laterale Kraftkomponente überlagert, wodurch je nach Beschichtungsstruktur ein Verschieben der einzelnen Partikel zueinander möglich ist. Es hat sich gezeigt, dass durch die Einleitung von Kraftkomponenten, entlang/entgegen und/oder quer zur Förderrichtung ebenfalls ein Verformen des Grundmaterials vermieden werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Aufbringen einer oszillierenden Bewegung beim Verdichten, insbesondere in der ersten Verdichtungsstufe.

Gemäß einer Ausführungsform kann der im Wesentlichen vertikalen Kraftrichtung eine hochfrequente, oszillierende Bewegung (vertikal und/oder lateral bzw. seitlich) überlagert werden. Es hat sich herausgestellt, dass es damit möglich ist, ein Verformen des Grundmaterials wirkungsvoll zu vermeiden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Einbringen der Verdichtungskräfte mechanisch, hydraulisch und/oder elektromotorisch.

Erfindungsgemäß umfasst eine Vorrichtung zum Herstellen einer Elektrode eine Fördereinrichtung für ein bandförmiges Grundmaterial sowie zumindest zwei Verdichtungseinheiten, wobei eine erste Verdichtungseinheit ausgelegt ist, erste und zweite Bereiche beim Verdichten zu erzeugen, wobei die zweiten Bereiche nicht oder weniger stark verdichtet sind als die zweiten Bereiche, und wobei eine zweite Verdichtungseinheit ausgelegt ist, die zweiten Bereiche zu verdichten oder nachzuverdichten. Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend für die Vorrichtung sowie umgekehrt. Alternativ können auch mehr als zwei Verdichtungseinheiten vorgesehen sein, beispielsweise drei, vier oder mehr. Diese sind mit Vorteil derart aufeinander abgestimmt, dass nach einem Durchlaufen der letzten Verdichtungseinheit ein homogenes oder im Wesentlichen homogenes Verdichtungsergebnis erreicht ist.
Weiter richtet sich die Erfindung auf eine Elektrode, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie auf einen Energiespeicher, insbesondere auf einen Lithiumionenakku bzw. eine Lithiumionenbatterie, umfassend eine erfindungsgemäße Elektrode. Gemäß einer Ausführungsform ist der Energiespeicher eine Lithiumionenzelle mit einem prismatischen Gehäuse oder eine Rundzelle. Auch eine Ausgestaltung als Flach- oder Pouchzelle ist möglich. Derartige Zellen werden zum Aufbau von Speichermodulen für Traktionsbatterien, wie sie in Kraftfahrzeugen zunehmend Verwendung finden, eingesetzt.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens mit Bezug auf die beigefügte Figur.
Es zeigt:

1: eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Herstellen einer Elektrode bzw. Kollektorfolie mit strukturierten Walzenpaaren.

1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Grundmaterial 10, welches mit einem Aktivmaterial (hier nicht erkennbar) ein- oder beidseitig beschichtet ist. Das Grundmaterial 10 wird entlang einer Förderrichtung R transportiert. Zu erkennen sind weiter vier schematisch dargestellte Walzen 20, wobei jeweils zwei gegenüberliegend angeordnete Walzen 20 ein Walzenpaar bilden. Diese weisen umfänglich eine Strukturierung auf. In der hier dargestellten Ausführungsform ist diese Strukturierung insbesondere als durch eine Vielzahl von Ausnehmungen 22 gebildet, welche sich quer oder im Wesentlichen quer zur Förderrichtung R erstrecken. Zu erkennen ist, dass die Ausnehmungen 22 derart ausgebildet sind bzw. die Walzenpaare derart zueinander positioniert oder angeordnet sind, dass nach dem Durchlaufen dieser zwei Verdichtungseinheiten eine gleichmäßige Krafteinleitung in das Grundmaterial 10 bzw. in die beschichteten Bereiche erfolgt ist. Insbesondere liegt nach dem Durchlaufen ein homogenes oder im Wesentlichen homogenes Verdichtungsergebnis vor. Die hier skizzierten zwei Walzenpaare stellen eine erste Verdichtungseinheit dar. Gemäß einer Ausführungsform ist beispielsweise eine zweite Verdichtungseinheit vorgesehen, wobei diese durch einen konventionellen Kalander mit glatten Walzen gebildet ist. Zweckmäßigerweise wird in dem zweiten Verdichtungsschritt eine exakte Homogenisierung der beschichteten Bereiche erreicht bzw. die Porosität noch einmal exakt eingestellt.
Bezugszeichenliste

10: Grundmaterial
20: Walze
22: Ausnehmung
R: Förderrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2296209 A1 [0002]
DE 102017215143 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, insbesondere für LithiumionenEnergiespeicher, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines mit einem Aktivmaterial beschichteten Grundmaterials (10); - Fördern des Grundmaterials (10) entlang einer Förderrichtung (R); - Abschnittsweise Verdichten des Aktivmaterials derart, dass in einem Verdichtungsschritt erste und zweite Bereiche entstehen, wobei die zweiten Bereiche nicht oder weniger stark verdichtet sind als die zweiten Bereiche; - Verdichten der zweiten Bereiche in einem weiteren Verdichtungsschritt.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt: - Verdichten des Aktivmaterials durch zumindest zwei aufeinanderfolgende unterschiedlich strukturierte Walzen (20), insbesondere Walzenpaare.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Walzen (20) quer zur Förderrichtung verlaufende Ausnehmungen (22) aufweisen, insbesondere Rillen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2-3, wobei die Walzen (20) entlang und/der quer zur Förderrichtung strukturiert sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Verwenden einer Vielzahl von Stempelwerkzeugen zum Verdichten, wobei das Grundmaterial (10) diskontinuierlich gefördert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Verdichten, insbesondere Abschließendes Verdichten oder Homogenisieren, durch Kalandrieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Aufbringen eines Last- und/oder Temperaturprofils beim Verdichten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Aufbringen einer Kraftkomponente entlang/entgegen und/oder quer zur Förderrichtung beim Verdichten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Aufbringen einer oszillierenden Bewegung beim Verdichten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Einbringen der Verdichtungskräfte mechanisch, hydraulisch und/oder elektromotorisch.
Vorrichtung zum Herstellen einer Elektrode, umfassend eine Fördereinrichtung für ein bandförmiges Grundmaterial (10) sowie zumindest zwei Verdichtungseinheiten, wobei eine erste Verdichtungseinheit ausgelegt ist, erste und zweite Bereiche beim Verdichten zu erzeugen, wobei die zweiten Bereiche nicht oder weniger stark verdichtet sind als die zweiten Bereiche, und wobei eine zweite Verdichtungseinheit ausgelegt ist, die zweiten Bereiche zu verdichten oder nachzuverdichten.
Elektrode, hergestellt nach einem der Ansprüche 1-10.
Energiespeicher, umfassend eine Elektrode nach Anspruch 12.