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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, beispielsweise für Lithiumionenakkumulatoren/-Batterien, eine Verwendung einer Doppelbandpresse, 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 Verwendung einer Doppelbandpresse, eine Elektrode sowie einen Energiespeicher anzugeben, welche die vorgenannten Probleme beseitigen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Verwendung gemäß Anspruch 10, 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 bzw. Lithiumionenbatterien oder Lithiumionenakkumulatoren, die Schritte:
- - Bereitstellen eines mit einem Aktivmaterial beschichteten Grundmaterials;
- - Fördern des Grundmaterials entlang einer Förderrichtung;
- - Verdichten oder Komprimieren des Aktivmaterials in oder mit einer Doppelbandpresse.
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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. Mit Vorteil ermöglicht nun die Verwendung einer Doppelbandpresse eine Lösung dieses Problems. Dadurch dass die Lasteinleitung nicht nur in einem sehr schmalen, linienförmigen Bereich quer zur Materialflussrichtung erfolgt, wie dies typischerweise bei Einzelwalzen der Fall ist, sondern über eine größere Länge, kann ein Verformen des Grundmaterials nebst der anderen beschriebenen Effekte wirkungsvoll vermieden werden. Durch die Verwendung einer Doppelbandpresse ist es insbesondere möglich, Kräfte entlang der Bahnrichtung (Tangentialkräfte) zu verringern oder zu vermeiden, wodurch ein Verformen des Grundmaterials vermieden werden kann. Die geometrischen Inkompatibilitäten zwischen beschichteten und unbeschichteten Bereichen sowie Faltenwurf oder Ausbeulen werden verringert oder zumindest minimiert. Das Grundmaterial und insbesondere auch die beschichteten Bereiche werden durch die Doppelbandpresse besser geführt und das Aufbauen einer Materialfront vor dem Glättwerk bzw. der Doppelbandpresse reduziert. Durch die Verwendung der Doppelbandpresse wird auch die Kontaktzeit mit den Presselementen im Vergleich zum konventionellen Kalandrieren erhöht. Durch die längere Kontaktzeit ist (materialabhängig) eine Reduktion der Flächenpressung möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt ein erster Verdichtungsschritt des Aktivmaterials in der Doppelbandpresse. 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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Zweckmäßigerweise weist die Doppelbandpresse zwei Bänder oder Bandelemente auf, wobei zumindest ein Bandelement eine Vielzahl von starren Einzelgliedern umfasst. Zweckmäßigerweise umfassen beide Bandelemente eine Vielzahl von, insbesondere starren oder festen, Einzelgliedern oder Einzelelementen. Insbesondere handelt es sich dabei um massive Einzelelemente oder Glieder, welche ermöglichen, dass sehr hohe Verdichtungskräfte erzeugt werden können.
Alternativ sind die Bänder oder Bandelemente glatte, durchgängige, insbesondere metallische Bänder.
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Die Bandelemente sind zweckmäßigerweise zumindest so breit sind wie das zu bearbeitende Grundmaterial.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen eines Kraft- und/oder Temperaturprofils in der Doppelbandpresse.
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Dadurch ist es insbesondere möglich, über die Länge der Doppelbandpresse, die Krafteinleitung gezielt an das Grundmaterial und dessen mechanische Eigenschaften anzupassen. Insbesondere ist es damit möglich, den Verdichtungsprozess „schonender“ zu gestalten.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Erhöhen eines Verdichtungsdrucks in der Doppelbandpresse entlang der Förderrichtung.
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Damit kann, ggf. auch in Kombination mit einer entsprechenden Temperatureinleitung bzw. allgemein Temperierung, der Verdichtungsvorgang sehr gezielt gesteuert werden. Insbesondere kann die Krafteinleitung so geregelt werden, dass ein Verformen des Grundmaterials nicht auftritt. Gemäß einer Ausführungsform sind die Bandelemente als solche beheizbar. Alternativ umfasst die Doppelbandpresse eine Temperiereinrichtung, welche ausgelegt ist, insbesondere auch abschnittsweise oder lokal, eine Temperierung des Grundmaterials zu bewirken.
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Alternativ ist vorgesehen, die Verdichtungsbedingungen über die Doppelbandpresse bzw. über deren Länge hinweg konstant zu halten.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die vorgenannten Einzelelemente oder Einzelglieder entlang der Förderrichtung unterschiedlich lang ausgebildet. Auch damit ist es möglich, ein gewisses Belastungsprofil entlang der Förder- oder Bahnrichtung einzustellen, welches geeignet ist, ein Verformen des Grundmaterials zu vermeiden. Die genaue Ausgestaltung ist vom Einzelfall abhängig, da hier insbesondere auch die verwendeten Materialien, die einzustellenden Beschichtungsdicken etc. eine Rolle spielen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen einer, insbesondere zusätzlichen, Kraftkomponente entlang, ggf. auch entgegen, und/oder quer zur Förderrichtung durch die Doppelbandpresse.
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Mit Vorteil wird in einzelnen Abschnitten oder über eine gesamte Länge der Doppelbandpresse 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.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen einer oszillierenden Bewegung durch die Doppelbandpresse.
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Gemäß einer Ausführungsform kann in einzelnen Abschnitten oder über die gesamte Länge der Doppelbandpresse der im Wesentlichen vertikal wirkenden Kraftkomponente 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:
- - Einbringen der Verdichtungskräfte in der Doppelbandpresse: mechanisch, hydraulisch und/oder elektromotorisch.
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Während der Aufbau der Doppelbandpresse grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist insbesondere der Teil der Doppelbandpresse, über welchen die Verdichtungskräfte erzeugt werden, mit Vorteil so ausgelegt, dass er die für das vorliegende Verfahren benötigten sehr hohen Drücke erzeugen kann.
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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 die Doppelbandpresse eine erste Verdichtungsstufe 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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Die Erfindung richtet sich auch auf die Verwendung einer Doppelbandpresse zum Herstellen einer Elektrode oder Kollektorfolie. Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend für die Verwendung sowie umgekehrt. Bevorzugt umfasst die Doppelbandpresse zwei Bandelemente, welche zur Verdichtung des Aktivmaterials einer Elektrode/Kollektorfolie ausgelegt sind. Hierzu sind die Bandelemente insbesondere ausgelegt, sehr hohe Verdichtungsdrücke übertragen zu können.
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Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest ein Bandelement aus einer Vielzahl von, insbesondere starren bzw. massiven Einzelgliedern oder -Elementen gebildet. Dies ermöglicht das zuverlässige Einleiten höchster Verdichtungskräfte.
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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 Doppelbandpresse.
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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. Eine erste Verdichtung des Aktivmaterials findet in einer Doppelbandpresse 20 statt, welche zwei zueinander orientierte Bandelemente 22 aufweist, über welche ein Verdichtungsdruck auf das Grundmaterial 10 bzw. auf das dort aufgebrachte Aktivmaterial aufgebracht wird. Das Bezugszeichen F bezeichnet dabei die wirksame Kraftrichtung, insbesondere also eine vertikale Kraftrichtung. Daneben ist es möglich, durch eine gezielte Auslegung der Doppelbandpresse auch Kräfte zu erzeugen, welche entlang/entgegen und/oder quer zur Förderrichtung R wirken. Ebenso kann die Doppelbandpresse 20 Mittel umfassen, welche ausgelegt sind, eine oszillierende Krafteinleitung zu ermöglichen. Ein Bereich des unteren Bandelements 22 ist vergrößert dargestellt, um zu zeigen, dass gemäß einer Ausführungsform das Bandelement 22 aus einer Vielzahl von Einzelelementen oder Einzelgliedern 24 bestehen kann, ähnlich dem Prinzip einer Raupen- oder Panzerkette. Die Einzelelemente oder Einzelglieder 24 sind dabei mit Vorteil massiv bzw. starr ausgebildet und ermöglichen so die Einleitung sehr hoher Kräfte. Als zweite Verdichtungsstufe ist schematisch ein Walzenpaar, umfassend zwei Walzen 30, dargestellt. Eine zweite Verdichtungsstufe, beispielsweise durch konventionelles Kalandrieren, kann mit Vorteil dazu verwendet werden, eine besonders exakte Verdichtungsgenauigkeit bzw. Homogenität der Beschichtung einzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Grundmaterial
- 20
- Doppelbandpresse
- 22
- Bandelement
- 24
- Einzelglieder
- 30
- Walze
- F
- Kraftrichtung
- 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]