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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung, ein Zellgehäuse, ein Verfahren zum Herstellen eins Zellwickels für eine Batteriezelle, ein Kraftfahrzeug sowie eine Verwendung.
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Unabhängig vom Zelltyp besteht die kleinste Einheit einer Lithiumionen-Zelle aus zwei Elektroden und einem Separator, der die Elektroden voneinander trennt. Dazwischen befindet sich das ionenleitfähige Elektrolyt. Die Elektroden werden durch mit Aktivmaterial beschichtete Folien gebildet. Die Elektroden oder Elektrodenlagen werden typischerweise gewickelt oder gestapelt. Beispielhaft sei hier auf die
DE 10 2014 206 890 A1 sowie die
DE 10 2015 201 281 A1 verwiesen. Bei eckigen, wie prismatischen, Zellgehäusen, lassen sich beim Stapeln deutlich höhere Energiedichten erreichen. Das Wickeln ist zwar schneller und kostengünstiger, allerdings führt dieser Prozess zu geringeren Energiedichten in der Zelle. Grund hierfür ist, dass durch die runden Radien des Zellwickels, auch Jelly-Roll genannt, ein rechteckiges Gehäuse nicht voll ausgenutzt werden kann. Zudem führen die kleinen Wickelradien bei höheren Kathoden-/Anodendicken zum Ablösen der Beschichtung. Enge Radien können zudem während des Betriebs zu „Lithium-Plating“ führen, was sich negativ auf die Lebensdauer und die Sicherheit auswirkt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrodenanordnung, ein Zellgehäuse, ein Verfahren zum Herstellen eines Zellwickels, ein Kraftfahrzeug sowie eine Verwendung anzugeben, welche die bekannten Technologien weiterentwickeln und insbesondere zu Energiespeichern bzw. Batteriezellen führen, welche, bei höchster Leistung, robust und betriebssicher sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 1, durch ein Zellgehäuse gemäß Anspruch 6, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8, durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 sowie durch eine Verwendung gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst eine Elektrodenanordnung zumindest zwei Elektrodenlagen, welche um eine Wickelachse zu einem Zellwickel gewickelt sind, wobei der Zellwickel parallel zu der Wickelachse zwei Schmalseiten und zwei Breitseiten aufweist, und wobei die Elektrodenlagen nur entlang oder parallel der Breitseiten Aktivmaterial aufweisen.
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Zweckmäßigerweise umfassen die Elektrodenlagen jeweils eine Trägerfolie. Die Elektrodenlagen können auch als Kollektorfolien bezeichnet werden. Abhängig davon, ob es sich bei der Elektrodenlage/Kollektorfolie um eine Elektrodenlage bzw. Kollektorfolie für die Anode oder für die Kathode handelt, ist das Material der Elektrodenlage 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, Rakeln, Rasterwalzen etc. Die Beschichtung bzw. das Aktivmaterial kann ein- oder beidseitig aufgetragen sein, abhängig vom Zelldesign. Indem nun Elektrodenlagen verwendet werden, welche entlang ihrer Längs- oder Wickelrichtung nur bereichsweise eine Beschichtung oder Aktivmaterial aufweisen, kann, in Kombination mit einer entsprechenden Wickeltechnik, ein Zellwickel realisiert werden, welcher höchste Energiedichten, insbesondere in eckigen oder flachen Zellgehäusen, realisieren kann. Zweckmäßigerweise sind hierzu die Elektrodenlagen im Bereich der Schmalseiten der Zellwickel nicht mit Aktivmaterial beschichtet. Dadurch können extrem enge Radien in diesen Bereichen realisiert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Elektrodenlage an sich beschädigt wird. Die mit Aktivmaterial beschichteten Bereiche der Elektrodenlage(n) können in der Folge annähernd die gesamte Breitseite des Zellwickels bzw. des späteren Gehäuses, einnehmen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Elektrodenanordnung zwei Elektrodenlagen sowie eine geeignete Anzahl von Separatorlagen, beispielsweise zwei, welche um die Wickelachse zu dem Zellwickel, insbesondere zu einem flachen Zellwickel, gewickelt sind.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Elektrodenlagen, entlang der Längs- oder Wickelrichtung, intermittierend mit Aktivmaterial beschichtet. Die Beschichtung bzw. das Aktivmaterial ist also von vornherein nur bereichsweise aufgetragen.
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Zusätzlich oder alternativ ist gemäß einer Ausführungsform das Aktivmaterial von den Elektrodenlagen abschnittsweise, insbesondere entlang einer Längs- oder Wickelrichtung abschnittsweise, entfernt. Dadurch kann ebenfalls eine nur bereichsweise Beschichtung realisiert werden.
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Zweckmäßigerweise nimmt eine Länge der unbeschichteten Bereiche entlang einer Wickelrichtung der Elektrodenlagen zu. Die exakten Maße bzw. Längen können, abhängig vom späteren Zellgehäuse, den Dimensionen der Elektrodenlagen, insbesondere auch betreffend die Beschichtungsdicke, sowie der verwendeten Separatorlagen, exakt vorbestimmt werden. In der Folge kann ein extrem schneller Wickelprozess realisiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Elektrodenlagen im Bereich der Schmalseiten Ausnehmungen auf, insbesondere einen oder mehrere Schlitze und/oder Löcher. Dies ermöglicht, dass die Elektrodenlagen im Bereich der Schmalseiten noch flexibler bzw. nachgiebiger gestaltet sind, was der Anordnung des entsprechenden Zellwickels im jeweiligen Zellgehäuse zugutekommt. Eine weitere Steigerung der Energiedichte ist damit möglich.
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Die Erfindung betrifft auch ein Zellgehäuse, umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Zellgehäuse ein festes, insbesondere ein quader- oder würfelförmiges, und besonders bevorzugt in prismatisches, Zellgehäuse. Das, gemäß einer Ausführungsform, prismatische Zellgehäuse ist zweckmäßigerweise aus einem Metall, insbesondere aus einem Aluminiumwerkstoff, gebildet. Alternative Materialien, wie insbesondere auch Kunststoffe, insbesondere auch faserverstärkte Kunststoffe oder auch Materialkombinationen aus metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen, sind ebenfalls möglich.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Zellwickels für eine Batteriezelle, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen von Elektrodenlagen, wobei die Elektrodenlagen entlang ihrer Längsrichtung nur abschnittsweise Aktivmaterial aufweisen;
- - Wickeln der Elektrodenlagen derart um eine Wickelachse zu einem, insbesondere flachen, Zellwickel, dass die Bereiche mit Aktivmaterial übereinander liegen.
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In der Folge kann ein Zellwickel realisiert werden, welcher insbesondere für rechteckige, flache oder quaderförmige Zellgehäuse eine bestmögliche Energiedichte bereitstellt. Es wird vor allem kein Gehäusevolumen verschenkt. Mit anderen Worten wird das Volumen durch das vorgeschlagene Verfahren bestmöglich ausgenutzt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den oder die Schritte:
- - Entfernen von Aktivmaterial und/oder intermittierendes Aufbringen von Aktivmaterial zum Bereitstellen von Elektrodenlagen mit einer abschnittsweisen Beschichtung.
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Gemäß einer Ausführungsform wird entlang der Längs- oder Wickelrichtung eine nur bereichsweise Beschichtung bereits bei der Herstellung der Elektrodenlagen berücksichtigt. Alternativ oder zusätzlich können Beschichtungsbereiche auch nachträglich entfernt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Zellgehäuse flexibel ausgebildet. Bevorzugt ist das Zellgehäuse durch eine Folie gebildet, insbesondere durch eine Aluminiumfolie. Hierbei handelt es sich zweckmäßigerweise um ein Zellgehäuse einer oder für eine Pouch-Zelle.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, umfassend zumindest eine Batterie, insbesondere eine Traktionsbatterie, welche zumindest ein erfindungsgemäßes Zellgehäuse aufweist oder umfasst.
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Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung von abschnittsweise entlang der Längs- oder Wickelrichtung Aktivmaterial aufweisenden Elektrodenlagen zum Herstellen von Zellwickeln für Batteriezellen.
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Für das Verfahren sowie für die Verwendung gelten die im Zusammenhang mit der Elektrodenanordnung erwähnten Vorteile und Merkmale analog und entsprechend sowie umgekehrt und untereinander.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Elektrodenanordnung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische, perspektivische Ansicht eines prismatischen Zellgehäuses;
- 2: eine Draufsicht auf einen Zellwickel, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist;
- 3: eine Draufsicht auf einen Zellwickel, wobei die Elektrodenlagen nur entlang oder parallel der Breitseiten des Zellwickels Aktivmaterial aufweisen.
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1 zeigt in einer schematischen und perspektivischen Darstellung ein Zellgehäuse 40. Diese Darstellung dient lediglich dem besseren Verständnis der in den 2 und 3 gezeigten Ansichten. Das Bezugszeichen W bezeichnet eine Wickelachse. Das Bezugszeichen P deutet eine Blickrichtung an. Entlang dieser Blickrichtung sind in den 2 und 3 entsprechende Zellgehäuse dargestellt, mit darin angeordneten Zellwickeln.
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2 zeigt ein Zellgehäuse 40, in welchem ein Zellwickel 1 angeordnet ist. Zu erkennen sind eine erste Elektrodenlage 10, umfassend Aktivmaterial 12, sowie eine zweite Elektrodenlage 20, umfassend Aktivmaterial 22. Die erste Elektrodenlage 10 ist beispielsweise die Anode, während die zweite Elektrodenlage 20 die Kathode ist. Diese sind über entsprechende Separatorlagen 30 getrennt. Der Zellwickel 1 weist einen Anfangspunkt 2 auf und ist um eine Wickelachse W im Uhrzeigersinn gewickelt. Dabei bezeichnet Bezugszeichen 3 einen Endpunkt des Zellwickels 1. Zu erkennen ist, dass durch diese Konfiguration im Bereich von Schmalseiten 4 des Zellwickels 1 bzw. des Zellgehäuses 40 Volumen verschenkt ist. Das Volumen des Zellgehäuses 40 ist in der Folge nicht vollständig genutzt. Dies gilt auch entlang der Breitseiten 5, welche ebenfalls nicht vollständig genutzt sind. Zu erkennen ist in dieser, nur sehr schematischen Ansicht, auch, dass sich im Bereich der Schmalseiten enge Biegeradien ergeben, welche für die Elektrodenlagen nicht unproblematisch sind und bereits bei der Fertigung, oder später im Betrieb, zu Problemen führen können.
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3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, umfassend eine erste Elektrodenlage 10 sowie eine zweite Elektrodenlage 20, mit entsprechenden Aktivmaterialien 12 bzw. 22 beschichtet. Vorteilhafterweise sind die Elektrodenlagen im Bereich der Schmalseiten 4 des Zellwickels 1 bzw. des Zellgehäuses 40 nicht mit Aktivmaterial beschichtet. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Ausnutzung des durch das Zellgehäuse 40 bereitgestellten Volumens. Dabei ist das grundsätzliche Wickelschema, vgl. einen Anfangspunkt 2 des Zellwickels sowie einen Endpunkt 3 des Zellwickels ähnlich zu dem in der 2 gezeigten. Dadurch dass die Elektrodenlagen 10, 20 im Bereich der Schmalseiten nicht mit Aktivmaterial beschichtet sind, kann das Volumen des Zellgehäuses 40 sichtbar besser ausgenutzt werden. Die beschichteten Bereiche der ersten Elektrodenlage 10 sowie der zweiten Elektrodenlage 20 nehmen annähernd die gesamte Breitseite 5 ein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellwickel
- 2
- Anfangspunkt Zellwickel
- 3
- Endpunkt Zellwickel
- 4
- Schmalseite
- 5
- Breitseite
- 10
- erste Elektrodenlage, Anode
- 12
- Aktivmaterial Anode
- 20
- zweite Elektrodenlage, Kathode
- 22
- Aktivmaterial Kathode
- 30
- Separatorlage
- 40
- (Zell-)Gehäuse
- W
- Wickelachse
- P
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014206890 A1 [0002]
- DE 102015201281 A1 [0002]
