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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.
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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.
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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.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11, durch 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 der beigefügten Figur.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode oder Kollektorfolie, insbesondere für Lithiumionen-Energiespeicher, die Schritte:
- - Bereitstellen eines mit einem Aktivmaterial beschichteten Grundmaterials;
- - Diskontinuierliches Fördern des Grundmaterials entlang einer Förderrichtung, wobei das Grundmaterial in einer ersten Phase ruht und sich in einer zweiten Phase bewegt; während der Förderung tritt dabei eine Vielzahl von ersten und zweiten Phasen auf.
- - Verdichten, insbesondere bereichs- oder abschnittsweises, Verdichten des Aktivmaterials in der ersten Phase oder in den ersten Phasen, mit anderen Worten, wenn das Grundmaterial ruht.
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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. Das diskontinuierliche Fördern des Grundmaterials in Kombination mit der Verdichtung des Aktivmaterials in der Ruhephase, mit anderen Worten also wenn das Grundmaterial gerade steht, ermöglicht eine Reduktion bzw. Elimination von Tangentialkräften, wodurch die Verformung der Elektrode bzw. des Grundmaterials signifikant reduziert oder sogar vermieden werden kann. Mit Vorteil werden dadurch die geometrischen Inkompatibilitäten zwischen beschichteten und unbeschichteten Bereichen und somit Faltenwurf und Ausbeulen minimiert. Mit den vorgenannten Tangentialkräften sind insbesondere die Kräfte gemeint, welche entlang bzw. entgegen der Förder- bzw. Bahnrichtung wirken.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Verdichten mit zumindest einem Stempelwerkzeug.
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Zweckmäßigerweise ist das Stempelwerkzeug ausgelegt, senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zum Grundmaterial eine Kraft zu erzeugen und so das Aktivmaterial zu verdichten. Das Stempelwerkzeug kann auch als Hubpresseneinheit bezeichnet werden. Dabei ist mit Vorteil ein Stempel des Stempelwerkzeugs zumindest so breit wie das Grundmaterial. Alternativ können auch mehrere Stempel, bezogen auf die Bahn- oder Förderrichtung, nebeneinander angeordnet sein, insbesondere wenn das Grundmaterial beispielsweise mehrere nebeneinander angeordnete beschichtete Bahnen oder Beschichtungsstreifen aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Verdichten mit zumindest einer Stempeleinheit, wobei die Stempeleinheit zwei gegenüberliegend angeordnete Stempelwerkzeuge umfasst.
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Bevorzugt erfolgt eine zweiseitige, insbesondere auch gleichzeitige, Krafteinleitung.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Mehrstufiges Verdichten durch eine Vielzahl nacheinander angeordneter Stempelwerkzeuge bzw. Stempeleinheiten.
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Durch die Verwendung mehrerer Stempeleinheiten kann bei entsprechender Abstimmung der Hubbewegungen trotz diskontinuierlicher Bahnbewegung ein homogenes Verdichtungsergebnis erreicht werden. Daneben ist es dadurch möglich, die Taktzeit zu erhöhen. Gemäß einer Ausführungsform wird über die Vielzahl von Stempelwerkzeugen oder Stempeleinheiten hinweg ein Last- und/oder Temperaturprofil eingestellt. Beispielsweise wird der Verdichtungsdruck von Stempeleinheit zu Stempeleinheit erhöht, bei gleichzeitiger Anpassung der Temperatur, wobei diese beispielsweise verringert wird, alternativ aber auch erhöht werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform sind jeweils zwei aufeinanderfolgende Stempelwerkzeuge bzw. Stempeleinheiten entlang der Förderrichtung beabstandet. Dies ermöglicht eine Verteilung der Krafteinleitung, was sich in Bezug auf eine etwaige Verformung des Grundmaterials als positiv herausgestellt hat. Alternativ können die Stempelwerkzeuge bzw. Stempeleinheiten aber auch direkt nacheinander angeordnet sein.
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Die Förderung des Grundmaterials sowie die (Hub- oder Vertikal-)Bewegung(en) der Stempelwerkzeuge oder Stempeleinheiten - bzw. deren Stempel - erfolgt dabei zweckmäßigerweise derart aufeinander abgestimmt, dass nach einem Durchfahren der Stempelwerkzeuge oder Stempeleinheiten ein homogenes Verdichtungsergebnis erreicht ist.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt ein erster Verdichtungsschritt des Aktivmaterials mittels der Stempelwerkzeuge oder Stempeleinheiten. Diese stellen also bevorzugt eine erste Verdichtungsstufe dar. Dies bedeutet, dass die Verdichtung des Aktivmaterials bevorzugt nach dem Beschichten des Grundmaterials mit dem Aktivmaterial erfolgt bzw. nach einem Trocknen des beschichteten Grundmaterials.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Verdichten, insbesondere abschließendes Verdichten oder Homogenisieren, durch Kalandrieren.
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Zweckmäßigerweise stellt das zumindest eine Stempelwerkzeug eine erste Verdichtungsstufe oder einen ersten Verdichtungsschritt dar, während eine zweite Verdichtungsstufe durch ein konventionelles Kalandrieren erfolgt. Durch das (abschließende) Kalandrieren kann insbesondere die Verdichtungsgenauigkeit bzw. Homogenität besonders exakt eingestellt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind beispielsweise drei Stempeleinheiten vorgesehen, wobei die drei Stempeleinheiten eine erste Verdichtungsstufe darstellen. Diese ist zweckmäßigerweise gefolgt von einer zweiten Verdichtungsstufe, wobei diese durch einen Kalander realisiert ist.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen einer, insbesondere zusätzlichen, Kraftkomponente entgegen/entlang und/oder quer zur Förderrichtung mit dem zumindest einen Stempelwerkzeug bzw. in der ersten Verdichtungsstufe.
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Durch die Krafteinleitung im Ruhezustand des Grundmaterials ist es sehr gut möglich, ein gezielt angepasstes Last- oder Kraftprofil mit dem einzelnen Stempelwerkzeug bzw. mit einer Stempeleinheit aufzubringen, bevorzugt in Kombination mit einer entsprechenden Temperaturanpassung, wobei diese insbesondere auch materialabhängig zu wählen ist. In der Folge kann so ein sehr sanfter Verdichtungsvorgang realisiert werden, welcher einen Faltenwurf oder ein Ausbeulen des Grundmaterials wirkungsvoll vermeidet. Mit Vorteil kann außerdem, je nach Beschichtungsstruktur, ein Verschieben der einzelnen Partikel der Beschichtung zueinander realisiert werden, was einem Verformen des Grundmaterials entgegenwirkt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen einer oszillierenden Bewegung, insbesondere mit dem zumindest einen Stempelwerkzeug bzw. in der ersten Verdichtungsstufe.
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Auch hier kommt wieder der Vorteil zum Tragen, dass das Grundmaterial bzw. die Elektrode bei der Krafteinleitung ruht, wodurch der Krafteinleitungsprozess gezielt gesteuert werden kann. Gemäß einer Ausführungsform kann den einzelnen Stempelwerkzeugen, ggf. auch allen, 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.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen eines Kraft- und/oder Temperaturprofils mit dem Stempelwerkzeug bzw. in der ersten Verdichtungsstufe.
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Dadurch ist es insbesondere möglich, den Verdichtungsprozess „schonender“ zu gestalten.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Einbringen der Verdichtungskräfte mechanisch, hydraulisch und/oder elektromotorisch.
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Insbesondere sind die Stempelwerkzeuge bzw. die Stempeleinheiten zweckmäßigerweise so ausgelegt, dass die für das vorliegende Verfahren benötigten sehr hohen Drücke erzielt werden können.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Herstellen einer Elektrode, umfassend eine Fördereinrichtung zum diskontinuierlichen Fördern eines bandförmigen mit Aktivmaterial beschichteten Grundmaterials sowie zumindest ein Stempelwerkzeug, welches ausgelegt ist, das Aktivmaterial zu verdichten. Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend sowie umgekehrt. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Vielzahl von entlang der Förderrichtung angeordneten Stempeleinheiten.
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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.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens mit Bezug auf die beigefügte Figur.
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Es zeigt:
- 1: eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Herstellen einer Elektrode/Kollektorfolie mit einer Vielzahl von Stempeleinheiten.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Grundmaterial 10, welches diskontinuierlich entlang einer Förderrichtung R befördert wird. Zur Verdichtung ist eine Vielzahl von Stempelwerkzeugen 20 vorgesehen bzw. angeordnet, wobei die Doppelpfeile Verfahrrichtungen F der Stempelwerkzeuge andeuten. Die Stempelwerkzeuge 20 sind insbesondere ausgelegt, Hubbewegungen durchzuführen. Jeweils zwei gegenüberliegend angeordnete Stempelwerkzeuge 20 bilden eine Stempeleinheit. Über die Stempelwerkzeuge 20 bzw. über die Stempeleinheiten wird das Aktivmaterial bereichsweise und gezielt verdichtet. Insbesondere in Kombination mit der diskontinuierlichen Bewegung bzw. Förderung des Grundmaterials 10 kann eine Reduktion oder Elimination von Tangentialkräften, insbesondere also Kräften entlang oder entgegen der Bahnlängsrichtung, erzielt werden, wodurch Verformungen des Grundmaterials bzw. der Kollektorfolie bzw. der Elektrode signifikant reduziert oder sogar vermieden werden. Insbesondere kann ein Faltenwurf oder ein Ausbeulen vermieden werden. Die vorliegend skizzierten drei Stempeleinheiten bilden beispielsweise eine erste Verdichtungsstufe. Zweckmäßigerweise ist eine zweite Verdichtungsstufe vorgesehen, welche durch einen Kalander gebildet wird. Insbesondere dient die zweite Verdichtungsstufe dazu, eine Homogenität bzw. Porosität des Aktivmaterials abschließend besonders exakt einzustellen bzw. zu kalibrieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Grundmaterial
- 20
- Stempelwerkzeug
- F
- Verfahrrichtung
- R
- Förderrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2296209 A1 [0002]
- DE 102017215143 A1 [0002]
