DE102019201686A1 - Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, Batterie und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (10), insbesondere für eine Batterie (4) eines Kraftfahrzeugs (2), wobei in ein Zellengehäuse (20) eine vorgefertigte Komponente (18) eingebracht wird, welche einen, insbesondere flüssigen, Elektrolyt (22) hält, und wobei das Zellengehäuse (20) verschlossen wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie (4) mit einer solchen Batteriezelle (10) sowie ein Kraftfahrzeug (2) mit einer solchen Batterie (4).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, insbesondere für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer solchen Batteriezelle sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
  • Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug weist typischerweise eine Batterie (Traktions-Batterie) auf, welche einen Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt. Dabei ist unter einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug insbesondere ein Elektrofahrzeug, welches die zum Antrieb notwendige Energie lediglich in der Batterie speichert (BEV, battery electric vehicle), ein Elektrofahrzeug mit einem Reichweitenverlängerer (REEV, range extended electric vehicle), ein Hybridfahrzeug (HEV, hybrid electric vehicle), ein Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) und/oder ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV, fuel cell electric vehicle) zu verstehen, welches die mittels einer Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie in der Batterie zwischenspeichert.
  • Eine solche Batterie weist typischerweise eine Anzahl an Batteriezellen mit jeweils einer Anzahl an Anoden und Kathoden auf, wobei zwischen den Anoden und den Kathoden jeweils ein Separator angeordnet ist. Weiterhin weist die Batterie einen, insbesondere flüssigen, Elektrolyten mit einem darin gelösten Leitsatz und mit einem Lösungsmittel auf. Bei einer als Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgebildeten Batteriezelle wird als Leitsalz beispielsweise LiPF6 (Lithiumhexoflourophoshat) und als Lösungsmittel beispielsweise Ethylencarbonat oder Propylencarbonat verwendet.
  • Beispielsweise wird der Elektrolyt im Zuge der Herstellung der Batteriezelle in ein offenes Batteriezellengehäuse (Zellengehäuse) eingeleitet, in welchem die Elektroden und die Separatoren aufgenommen sind. Die Zufuhr des Elektrolyten an die Elektroden bzw. an die Separatoren erfolgt dabei beispielsweise mittels sogenannter Nadeln oder Lanzen. Dabei wird dieser Schritt bei inertisierten, vorkonditionierten oder vakuumierten Umgebungsbedingungen durchgeführt, um eine möglichst geringe Wasserkonzentration in der Lithium-Ionen-Batteriezelle zu realisieren. Nachteilig ist dies vergleichsweise aufwändig und kostenintensiv. Des Weiteren ist für das Befüllen mittels der Nadeln bzw. mittels der Lanzen eine vergleichsweise lange Zeitdauer notwendig.
  • Alternativ hierzu werden in das Zellengehäuse Befüllstutzen (Ports, Kanüle) eingesiegelt, mittels welchen eine Vakuumierung der (Lithium-Ionen-)Batteriezelle und das Einleiten des Elektrolyts erfolgen können. Zwar ist eine Anforderung an die Umgebungsbedingungen reduziert, jedoch müssen die Befüllstutzen in einem zusätzlichen Arbeitsschritt nach dem Einleiten des Elektrolyts versiegelt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle anzugeben. Insbesondere soll die Herstellung der Lithium-Ionen-Batteriezelle möglichst zeitsparend und/oder aufwandsarm erfolgen. Des Weiteren soll eine Batterie mit einer solchen Lithium-Ionen-Batteriezelle und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie angegeben werden.
  • Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich der Batterie wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und bezüglich des Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren sinngemäß auch für die Batterie sowie für das Kraftfahrzeug und umgekehrt.
  • Beim Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (Li-Ionen-Batteriezelle) wird eine vorgefertigte Komponente in ein Zellengehäuse der Lithium-lonen-Batteriezelle eingebracht. Die vorgefertigte Komponente hält dabei bereits einen, insbesondere flüssigen Elektrolyt. Nach dem Einbringen der vorgefertigten Komponente wird das Zellengehäuse verschlossen. Zweckmäßigerweise wird das Zellengehäuse versiegelt, zugeschweißt oder zugeklebt. Allenfalls ist das Zellengehäuse nach dem Verschließen luft- und flüssigkeitsdicht verschlossen. Beispielsweise ist die Komponente mit dem Elektrolyt getränkt.
  • Die Lithium-Ionen-Batteriezelle ist insbesondere für eine (Traktions-) Batterie eines Kraftfahrzeugs vorgesehen und eingerichtet.
  • Vorteilhafterweise ist aufgrund des Einbringens der vorgefertigten Komponente, welche den Elektrolyt bereits hält, das prozesstechnisch vergleichsweise aufwendige Befüllen der Lithium-Ionen-Batteriezelle nicht weiter notwendig. Die Aufnahme des Elektrolyten von der Komponente ist vielmehr in vorgelagerte Schritte verlagert. Diese Schritte können also unabhängig von dem Einbringen des Elektrolyten in die Lithium-Ionen-Batteriezellen erfolgen. Somit sind die eingangs erwähnten Befüllstutzen im Zellengehäuse nicht notwendig, sodass ein separater und zusätzlicher Arbeitsschritt zum Verschließen dieser Befüllstutzen nach dem Einleiten des Elektrolyten in das Zellengehäuse ebenfalls nicht weiter notwendig ist. Zusammenfassend ist es ermöglicht, die kurz auch als Batteriezelle oder Zelle bezeichnete Lithium-Ionen-Batteriezelle vergleichsweise zeitsparend und/oder aufwandsarm herzustellen.
  • Das Zellengehäuse ist beispielsweise vergleichsweise starr ausgebildet. Ein solches, auch als Hard-Case-Zellengehäuse bezeichnetes Zellengehäuse ist insbesondere aus Metall, wie Stahl oder Aluminium, gebildet. Dieses wird beispielsweise für eine sogenannte prismatische oder zylindrische Batteriezelle herangezogen. Alternativ hierzu ist das Zellengehäuse mittels einer vergleichsweise flexiblen Folie, insbesondere einer kunststoffbeschichteten Aluminiumfolie, gebildet: Ein solches Zellengehäuse wird beispielsweise bei einer sogenannten Pouch-Zelle verwendet.
  • Gemäß einer ersten Variante des Verfahrens wird als die den Elektrolyt haltende Komponente ein mit dem Elektrolyt getränkter Separator und/oder eine mit dem Elektrolyt getränkte Elektrode, also eine mit dem Elektrolyt getränkte Kathode bzw. Anode verwendet.
  • Dabei werden der Separator und die, zweckmäßigerweise mittels Metallfolien gebildeten, Elektroden zusammenfassend als Elektrodenvorrichtung bezeichnet. Mit anderen Worten umfasst die Elektrodenvorrichtung den oder mehrere Separatoren und die Elektroden. Die Elektrodenvorrichtung ist beispielsweise als ein sogenannter Elektrodenstapel, bei welchem die Elektroden und die Separatoren alternierend übereinandergestapelt sind, oder als Elektrodenwickel ausgebildet, bei welchem die Elektroden und die Separatoren alternierend zueinander und spiralförmig angeordnet sind. Sofern lediglich einige der Bestandteile der Elektrodenvorrichtung, also nicht alle Separatoren und Elektroden, den Elektrolyten halten, erfolgt die Benetzung der anderen Bestandteile der Elektrodenvorrichtung insbesondere selbsttätig, beispielsweise durch Diffusion oder dergleichen.
  • Geeigneterweise weisen der Separator und/oder die Elektroden dabei eine poröse oder perforierte Struktur auf, so dass der Elektrolyt in den entsprechenden Poren gehalten ist. Geeigneterweise ist der Separator aus einem Thermoplast, beispielsweise aus Polyethylenterephthalat (PET), gebildet. Insbesondere weist der Thermoplast zum Halten einer vorgesehenen Menge an Elektrolyt eine entsprechende Dicke, also eine entsprechende Ausdehnung in einer Richtung von der den Separator flankierenden Anode zur Kathode auf. Zweckmäßigerweise ist der Thermoplast zusätzlich mit einer Keramikbeschichtung versehen.
  • Zusammenfassend wird die Elektrodenvorrichtung, welche bereits den Elektrolyt hält, in das Zellengehäuse eingebracht. Anschließend wird das Zellengehäuse vakuumiert und verschlossen, insbesondere versiegelt. Ein zusätzlicher Arbeitsschritt des Befüllens des Zellengehäuses mit Elektrolyten ist somit vorteilhafterweise nicht notwendig. Weiter vorteilhaft sind zusätzlich zur Elektrodenvorrichtung keine weiteren, zusätzlichen Komponenten für das Einbringen des Elektrolyts notwendig.
  • Gemäß einer zweiten Variante des Verfahrens wird als die den Elektrolyt haltende Komponente ein Einlegeteil herangezogen. Geeigneterweise ist das Einlegeteil als ein sogenanntes Elektrolytkissen ausgebildet. Das Elektrolytkissen ist dabei zweckmäßigerweise elektrisch nicht leitend, also elektrisch isolierend, und vorzugsweise chemisch inert. Beispielsweise ist das Elektrolytkissen bzw. die Komponente mittels eines thermoplastischen Kunststoffs, insbesondere Polyethylenterephthalat (PET), gebildet, wobei dieser Poren aufweist, in welchen der Elektrolyt gehalten ist. Hierzu ist das Elektrolytkissen geeigneterweise mit dem Elektrolyt getränkt.
  • Sofern das Zellengehäuse als Hard-Case-Zellengehäuse ausgebildet ist, wird das Einlegeteil vorzugsweise (zeitlich) vor dem Einbringen der Elektrodenvorrichtung oder zusammen mit der Elektrodenvorrichtung in das Zellengehäuse eingebracht. Vorzugsweise ist das Einlegeteil dabei derart angeordnet, dass das Einlegeteil die Elektrodenvorrichtung zumindest teilweise umfasst (umgreift). Auf diese Weise ist bei einer Abgabe des Elektrolyten vom Einlegeteil eine vergleichsmäßig gleichmäßige Benetzung der Elektrodenvorrichtung mit dem Elektrolyten realisiert.
  • Sofern die Batteriezelle als Pouch-Zelle ausgebildet ist, wird das Einlegeteil vorzugsweise zusammen mit der Elektrodenvorrichtung in einem sogenannten Verpackungsschritt zwischen die das Zellengehäuse bildende Folie eingebracht und anschließend die Folie umfangsseitig verschlossen.
  • Zusammenfassend werden also die als Einlegeteil ausgebildete Komponente, welche den Elektrolyten hält, und anschließend die Elektrodenvorrichtung bzw. zusammen mit der Elektrodenvorrichtung in das Zellengehäuse eingebracht. Das Zellengehäuse wird anschließend vakuumiert und verschlossen.
  • Gemäß einer dritten Variante des Verfahrens wird die, insbesondere als Elektrolytkissen ausgebildete Komponente in eine Aufnahmekammer des Zellengehäuses eingebracht. Analog zur zweiten Variante wird vorzugsweise ein poröser Thermoplast, insbesondere Polyethylenterephthalat, als Material für die Komponente verwendet. Diese Aufnahmekammer ist dabei strömungstechnisch mit einer die Elektrodenvorrichtung aufnehmenden Elektrodenkammer des Zellengehäuses, verbunden. Das Elektrolytkissen bzw. die Komponente ist somit räumlich getrennt von der Elektrodenvorrichtung in einer separaten Kammer angeordnet. Somit ist eine Beeinträchtigung des Betriebs der Batteriezelle durch die Komponente vermieden.
  • Zusammenfassend wird die Elektrodenvorrichtung zunächst trocken, also nicht vom Elektrolyt benetzt, in die Elektrodenkammer eingebracht, und die Komponente in die Aufnahmekammer eingebracht. Anschließend wird das Zellengehäuse vakuumiert und verschlossen. Vorzugsweise (zeitlich) nach dem Verschließen des Zellengehäuses wird der Elektrolyt von der Komponente freigegeben und durch einen die Aufnahmekammer und die Elektrodenkammer verbindenden Kanal der Elektrodenvorrichtung zugeführt, so dass die Elektrodenvorrichtung mit dem Elektrolyt benetzt wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der dritten Variante des Verfahrens wird als Aufnahmekammer eine Gastasche des Zellengehäuses herangezogen. Bei der Formierung der Batteriezelle, also im Zuge der ersten Lade- und Entladezyklen der Batteriezelle, entstehende Gase werden in der Gastasche aufgenommen. Nach erfolgter Formierung der Batteriezelle wird die Gastasche zusammen mit der darin aufgenommenen Komponente entfernt, und der Kanal verschlossen, insbesondere versiegelt. Somit verbleit vorteilhafterweise beim Verfahren gemäß dieser Variante keine zusätzliche Komponente innerhalb der Batteriezelle.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der zweiten und/oder der dritten Varianten des Verfahrens wird, vorzugsweise nach dem Verschließen des Zellengehäuses, auf die den Elektrolyt haltende Komponente thermisch oder mechanisch eingewirkt, so dass die Komponente den Elektrolyt freigibt. Beispielsweise wird Druck auf das Zellengehäuse und somit auf die Komponente ausgeübt, so dass der Elektrolyt aus den Poren der Komponente gedrückt wird. Beispielsweise ist die den Elektrolyt haltende Komponente gekühlt, so dass der Elektrolyt gefroren ist. Durch die thermische Einwirkung auf die Batteriezelle und somit auf die Komponente schmilzt der Elektrolyt und wird freigegeben. Die thermische oder mechanische Einwirkung und damit einhergehend die Freigabe des Elektrolyten erfolgt dabei vorsätzlich, mit anderen Worten wird auf die Komponente aktiv und bewusst eingewirkt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der ersten, der zweiten, und der dritten Variante des Verfahrens ist die den Elektrolyt aufweisende Komponente mit einer Schutzschicht oder mit einer Kapselung versehen, welche den Elektrolyten in und/oder im Bereich der Komponente hält. Vorzugsweise nach dem Verschließen des Zellengehäuses, wird auf die Schutzschicht oder Kapselung thermisch, mechanisch oder chemisch eingewirkt. Infolge der Einwirkung wird die Schutzschicht bzw. die Kapselung geöffnet und der Elektrolyt freigegeben. Beispielsweise werden die Schutzschicht bzw. die Kapselung hierzu mittels der thermischen Einwirkung geschmolzen oder aufgebrochen, mittels der mechanischen Einwirkung aufgebrochen oder eingerissen bzw. mittels der chemischen Einwirkung zumindest teilweise zersetzt.
  • Aufgrund der Kapselung der Komponente bzw. aufgrund der Schutzschicht, ist die chemische Reaktion des Elektrolyts mit Gasen oder Flüssigkeiten und/oder Aufnahme solcher Gase oder Flüssigkeiten durch die Komponente vermieden. Infolgedessen ist eine Schutzatmosphäre bei der Herstellung der Batteriezelle nicht notwendig und wird zweckmäßigerweise auch nicht verwendet. Vorteilhafterweise ist die Herstellung der Batteriezelle somit vergleichsweise aufwandsarm. Die thermische und die mechanische Einwirkung, bzw. die Zugabe des chemischen Mittels zum Einwirken auf die Schutzschicht bzw. auf die Kapselung erfolgt dabei zweckmäßigerweise vorsätzlich. Das chemische Mittel ist vorzugsweise derart gewählt, dass die Freigabe des Elektrolyten erst nach dem Verschließen des Zellengehäuses stattfindet. Beispielsweise wird hierzu zur Beschleunigung oder zum Starten der entsprechenden chemischen Reaktion des Mittels mit der Kapselung oder mit der Schutzschicht thermische auf die Batteriezelle eingewirkt.
  • Alternativ hierzu ist die Kapselung oder die Schutzschicht vergleichsweise leicht zerbrechlich ausgestaltet, so dass diese zur Freigabe des Elektrolyten aufgrund der mechanischen Einwirkung zumindest teilweise aufgebrochen wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist eine Batterie, insbesondere eine Traktions-Batterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, zumindest eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, also eine einzige Lithium-Ionen-Batteriezelle oder zweckmäßigerweise eine Vielzahl an Lithium-Ionen-Batteriezellen, auf, welche gemäß dem Verfahren in einer oben dargestellten Varianten hergestellt ist bzw. sind. Insbesondere ist also der Elektrolyt mittels einer vorgefertigten Komponente im Zuge der Herstellung in das Zellengehäuse der jeweiligen Lithium-Ionen-Batteriezelle eingebracht.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug eine Batterie entsprechend der oben dargelegten Variante auf.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • 1 schematisch in einer Draufsicht ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie, deren Zellmodule jeweils eine Anzahl an Lithium-Ionen-Batteriezellen aufweisen,
    • 2a in einem Flussdiagramm eine erste Variante eines Verfahrens zur Herstellung der Lithium-Ionen-Batteriezelle, wobei eine Elektrodenvorrichtung mit Separatoren und Elektroden in ein Zellengehäuse eingebracht werden, wobei die Separatoren einen Elektrolyt halten,
    • 2b in einer schematischen Schnittdarstellung die Lithium-Ionen-Batteriezelle mit der Elektrodenvorrichtung, deren Separatoren gemäß dem Verfahren in der ersten Variante den Elektrolyt zunächst halten und an die Elektroden abgeben,
    • 3a in einem Flussdiagramm eine zweite Variante des Verfahrens zur Herstellung der Lithium-Ionen-Batteriezelle, wobei ein den Elektrolyt haltendes Einlegeteil zusammen mit der Elektrodenvorrichtung in das Zellengehäuse eingebracht wird,
    • 3b in einer schematischen Schnittdarstellung die Lithium-Ionen-Batteriezelle mit der Elektrodenvorrichtung und mit dem den Elektrolyt haltenden Einlegeteil, welches aufgrund einer vorsätzlichen mechanischen oder therm i-schen Einwirkung den Elektrolyt freigibt,
    • 4a in einem Flussdiagramm eine dritte Variante des Verfahrens zur Herstellung der Lithium-Ionen-Batteriezelle, wobei das den Elektrolyt haltende Einlegeteil in eine als Gastasche ausgebildete Aufnahmekammer eingebracht wird, und wobei der Elektrolyt nach Verschließen des Zellengehäuses freigegeben wird,
    • 4b in einer schematischen Schnittdarstellung die Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer die Elektrodenvorrichtung aufnehmenden Elektrodenkammer, welcher strömungstechnisch mittels eines Kanals mit der als Gastasche ausgebildeten Aufnahmekammer verbunden ist,
    • 5a in einem Flussdiagramm eine Ausgestaltung der Verfahren zur Herstellung der Lithium-Ionen-Batteriezelle gemäß der 2a, 3a bzw. 4a, wobei die den Elektrolyt haltende Komponente mit einer Hülle versehen ist, und wobei die Hülle nach Verschließen des Zellengehäuses aufgebrochen wird, und
    • 5b in einer schematischen Schnittdarstellung die Lithium-Ionen-Batteriezelle mit der Elektrodenvorrichtung, wobei deren den Elektrolyt haltende Separatoren und Elektroden mit einer Kapselung versehen sind, die den Elektrolyt im Bereich dieser Separatoren und Elektroden einschließt.
  • Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug 2 mit einer (Traktions-) Batterie 4 dargestellt. Die Batterie 4 weist ein Batteriegehäuse 6 auf, in welchem Zellmodule 8, jeweils mit einer Anzahl an Lithium-Ionen-Batteriezellen 10, aufgenommen sind. Beispielhaft sind lediglich sechs Zellmodule 8 mit jeweils drei Lithium-lonen-Batteriezellen 10 dargestellt. Zusammenfassend sind die Zellmodule 8 batteriegehäuseintern angeordnet.
  • Die kurz auch als Batteriezellen 10 bezeichneten Lithium-Ionen-Batteriezellen 10 sind in nicht weiter dargestellter Weise miteinander verschaltet. Beispielsweise sind die Batteriezellen 10 eines jeden Zellmoduls 8 zueinander parallel und die Zellmodule 8 untereinander in Serie und/oder parallel zueinander geschaltet, so dass an Lastanschlüssen 12 der Batterie 4 eine Spannung bzw. ein Strom bereit gestellt wird, welche bzw. welcher zum Betrieb eines an den Lastanschlüsse 12 angeschlossenen Verbrauchers 14 geeignet ist. Hierzu sind die elektrischen Pole 16 der Batteriezellen 10 entsprechend (elektrisch) miteinander verbunden. Beispielsweise ist der Verbraucher 14 ein Wechselrichter eines Antriebstrangs des Kraftfahrzeugs 2, welcher Wechselrichter den von der Batterie 4 bereitgestellten Gleichstrom in einen zum Betrieb eines (nicht dargestellten) Elektromotors geeigneten Wechselstrom wandelt.
  • Das in der 2a dargestellte Flussdiagramm repräsentiert eine erste Variante eines Verfahrens zur Herstellung der Lithium-Ionen-Batteriezelle 10. Hierbei werden in einem ersten Schritt Ia vorgefertigte Komponenten 18 durch eine Gehäuseöffnung 19 in ein (Batterie-) Zellengehäuse 20 der Batteriezelle 10 eingebracht. Die Komponente hält dabei einen flüssigen Elektrolyt 22. Gemäß der Ausgestaltung der 2b sind diese Komponenten 18 dabei Separatoren 24 einer Elektrodenvorrichtung 26.
  • Die Elektrodenvorrichtung 26, welche auch als Stack bezeichnet wird, weist eine Anzahl an Elektroden 28, also Anoden und Kathoden auf, welche alternierend übereinandergestapelt sind. Dabei ist zwischen den Anoden und den Kathoden jeweils ein Separator 24 der Elektrodenvorrichtung 26 angeordnet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2b halten dabei lediglich die Separatoren 24 den Elektrolyten 22. Die Separatoren 24 wurden hierzu mit dem Elektrolyt 22 in einem vorgelagerten Arbeitsschritt (nicht dargestellt) getränkt, wobei die Elektrodenvorrichtung 22 als vorgefertigte Komponente 18 zur Herstellung der Batteriezelle 10 bereitgestellt wird. Gemäß einer nicht weiter dargestellten Variante des Verfahrens halten sowohl die Separatoren 24 als auch die Elektroden 28 der Elektrodenvorrichtung 26 den Elektrolyt 22.
  • Das Batteriezellengehäuse 20 wird nach dem Einbringen der Elektrodenvorrichtung 26 in einem zweiten Schritt Ib vakuumiert und die Gehäuseöffnung 19 flüssigkeits- und gasdicht verschlossen. Dabei wird, insbesondere aufgrund von Diffusion, der Elektrolyt 22 von den Separatoren 24 auf die Elektroden 28 übertragen, sodass die Anoden, die Kathoden sowie die Separatoren 24 mit dem Elektrolyten 22 benetzt sind.
  • Dabei ist derjenige Bestandteil der Batteriezelle 10, welcher den Elektrolyt 22 hält, flächig punktiert dargestellt. Dies gilt analog für die 3b, 4b und 5b.
  • Das in der 3a dargestellte Flussdiagramm repräsentiert eine zweite Variante des Verfahrens zur Herstellung der Batteriezelle 10. Hierbei wird in einem ersten Schritt IIa die Elektrodenvorrichtung 26 zusammen mit der als Einlegeteil ausgebildeten und den Elektrolyt 22 haltenden Komponente18 in das Zellengehäuse 20 der Batteriezelle 10 eingebracht. Wie insbesondere in der zum Verfahren gemäß der 3a korrespondierenden 3b zu erkennen ist, ist die als Einlegeteil ausgebildete Komponente 18 dabei derart angeordnet, dass diese die Elektrodenvorrichtung 26 umfasst.
  • Die als Einlegeteil ausgebildete Komponente 18 ist als ein Elektrolytkissen aus einem porösen und elektrisch nicht leitenden Thermoplast, beispielsweise aus Polyethylenterephthalat (PET), gebildet. In dessen Poren ist der Elektrolyt 22 gehalten.
  • In einem daran anschließenden zweiten Schritt IIb wird das Zellengehäuse 20 vakuumiert und flüssigkeits- und gasdicht verschlossen. Anschließend wird auf die Komponente 18 thermisch, beispielsweise durch Erwärmen oder mechanisch, beispielsweise durch Eindrücken, eingewirkt, was in der 3b durch das Bezugszeichen T bzw. p dargestellt ist (Schritt IIc). Infolge der Einwirkung gibt die Komponente 18 den Elektrolyt 22 frei, so dass dieser die Elektrodenvorrichtung 26 benetzt.
  • In der 4a ist mittels eines Flussdiagramms eine dritte Variante des Verfahrens zur Herstellung der Batteriezelle 10 repräsentiert. Hierbei wird in einem ersten Schritt IIIa die Elektrodenvorrichtung 26 in eine zu deren Aufnahme vorgesehenen Elektrodenkammer 30 des Zellengehäuses 20 eingebracht. Zudem wird in diesem Schritt IIIa die als Einlegeteil, insbesondere als ein Elektrolytkissen aus einem porösen und Thermoplasten, ausgebildete Komponente 18 in eine Aufnahmekammer 32 des Zellengehäuses 20 eingebracht. Die Aufnahmekammer 32 bildet einen zur Elektrodenkammer 30 separaten (Raum-)Bereich und ist mittels eines (Strömungs-) Kanals 34 strömungstechnisch mit dieser verbunden. Dabei ist die Aufnahmekammer 32 eine sogenannte Gastasche, in welcher im Zuge der Formierung der Batteriezelle 10 (Schritt IIId) entstehende Gase aufgenommen werden.
  • In darauf folgenden zweiten Schritt IIIb wird das Zellengehäuse 20 vakuumiert und gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen, insbesondere versiegelt. Der Elektrolyt 22 wird analog zu Schritt IIc von der Komponente 18 aufgrund einer mechanischen oder thermischen Einwirkung auf diese freigegeben (Schritt IIIc). Bei daran zeitlich folgenden Formierung (Schritt IIId) der Batteriezelle 10 können Gase entstehen, welche in der als Gastasche ausgebildeten Aufnahmekammer 32 des Zellengehäuses 20 aufgenommen werden. Anschließend an die Formierung wird die Aufnahmekammer 32 inklusive der darin aufgenommenen Komponente 18 entfernt, insbesondere abgetrennt, und der Kanal 34 verschlossen. Beispielsweise wird der Kanal 34 hierzu versiegelt (Schritt IIIe).
  • In der 5a ist ein Flussdiagramm gezeigt, welches eine Ausgestaltung der oben dargestellten Verfahren darstellt. Hierbei ist die den Elektrolyt 22 haltende und vorgefertigte Komponente 18 mit einer Kapselung oder mit einer Schutzschicht versehen ist. Die die Kapselung bzw. die Schutzschicht werden zusammenfassend auch als Hülle bezeichnet und sind mit dem Bezugszeichen 36 versehen. Diese Kapselung bzw. diese Schutzschicht 36 hält dabei den Elektrolyten 22 in der Komponente 18 bzw. im Bereich der Komponente 18. Gemäß dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird in einem ersten Schritt IVa die mit einer Kapselung oder mit einer Schutzschicht 36 versehene Komponente 18 in das Zellengehäuse 20 eingebracht. Anschließend wird das Zellengehäuse 20 luft- und flüssigkeitsdicht verschlossen (Schritt IVb). In Schritt IVc wird auf die Kapselung bzw. auf die Schutzschicht 36 mechanisch, thermisch oder chemisch eingewirkt. Folglich wird die Schutzschicht bzw. die Kapselung geöffnet, insbesondere aufgebrochen, oder bei chemischer Einwirkung aufgrund einer entsprechenden chemischen Reaktion zumindest teilweise zersetzt. Allenfalls wird der Elektrolyt 22 freigegeben und benetzt die Elektrodenvorrichtung 26.
  • In der 5b ist das Verfahren gemäß der 5a beispielhaft gezeigt, wobei die als Separator 24 und Elektroden 28 ausgebildete Komponenten 18 von jeweils einer Kapselung 36 umschlossen sind. Nach der durch den Pfeil mit den Bezugszeichen p, T, c dargestellten mechanischen, thermischen bzw. chemischen Einwirkung auf die Kapselung 36, ist diese durchlässig für den Elektrolyt 22. Dies ist mittels der strichlinierten Darstellung der Kapselung 36 repräsentiert.
  • In nicht weiter dargestellten Varianten ist das als Einlegeteil gemäß der 3b oder 4b mit einer solchen Schutzschicht oder Kapselung 36 versehen. Die Freigabe des Elektrolyten 22 erfolgt dann in analoger Weise zu den Ausführungen gemäß der 5a aufgrund der vorsätzlichen thermischen, mechanischen oder chemischen Einwirkung auf die Kapselung bzw. auf die Schutzhülle 36.
  • Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Kraftfahrzeug
    4
    Batterie
    6
    Batteriegehäuse
    8
    Zellmodul
    10
    Lithium-Ionen-Batteriezelle
    12
    Lastanschluss
    14
    Verbraucher
    16
    elektrischer Pol der Batteriezelle
    18
    Komponente
    20
    Zellengehäuse
    22
    Elektrolyt
    24
    Separator
    26
    Elektrodenvorrichtung
    28
    Elektrode
    30
    Elektrodenkammer
    32
    Aufnahmekammer
    34
    Kanal
    36
    Schutzschicht/Kapselung
    p
    mechanische Einwirkung
    T
    thermische Einwirkung
    c
    chemische Einwirkung
    Ia
    Einbringen der Komponente in das Zellengehäuse
    Ib
    Verschließen des Zellengehäuses
    IIa
    Einbringen der Komponente und der Elektrodenvorrichtung in das Zellengehäuse
    IIb
    Verschließen des Zellengehäuses
    IIc
    Freigabe des Elektrolyten
    IIIa
    Einbringen der Komponente in eine Aufnahmekammer und Einbringen der Elektrodenvorrichtung in eine Elektrodenkammer
    IIIb
    Verschließen des Zellengehäuses
    IIIc
    Freigabe des Elektrolyten
    IIId
    Formierung der Batteriezelle
    IIIe
    Entfernen der Aufnahmekammer und verschließen des Kanals
    IVa
    Einbringen der mit einer Kapselung oder mit einer Schutzschicht versehenen Komponente in das Zellengehäuse
    IVb
    Verschließen des Zellengehäuses
    IVc
    Freigabe des Elektrolyten

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (10), insbesondere für eine Batterie (4) eines Kraftfahrzeugs (2), - wobei in ein Zellengehäuse (20) eine vorgefertigte Komponente (18) eingebracht wird, welche einen, insbesondere flüssigen, Elektrolyt (22) hält, und - wobei das Zellengehäuse (20) verschlossen, insbesondere versiegelt, wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als die den Elektrolyt (22) haltende Komponente (18) ein mit dem Elektrolyt (22) getränkter Separator (24), insbesondere einer Elektrodenvorrichtung (26), und/oder eine ein mit dem Elektrolyt (22) getränkte Elektrode (28), insbesondere der Elektrodenvorrichtung (26), herangezogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als die den Elektrolyt (22) haltende Komponente (18) ein Einlegeteil herangezogen wird, welches in das Zellengehäuse (20) eingebracht wird, insbesondere derart, dass die Komponente (18) die oder eine Elektrodenvorrichtung (26) zumindest teilweise umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die, insbesondere als ein Elektrolytkissen ausgebildete, Komponente (18) in eine Aufnahmekammer (32) des Zellengehäuses (20) eingebracht wird, welche strömungstechnisch mit einer die oder eine Elektrodenvorrichtung (26) aufnehmenden Elektrodenkammer (30) verbunden ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Aufnahmekammer (32) eine Gastasche des Zellengehäuses (20) herangezogen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass, vorzugsweise nach dem Verschließen des Zellengehäuses (20), auf die den Elektrolyt (22) haltende Komponente (18) thermisch oder mechanisch eingewirkt wird, so dass die Komponente (18) den Elektrolyt (22) freigibt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass die den Elektrolyt (22) aufweisende Komponente (18) mit einer Schutzschicht oder mit einer Kapselung (36) versehen ist, welche den Elektrolyten (22) in und/oder im Bereich der Komponente (18) hält, und/oder - dass, vorzugsweise nach dem Verschließen oder Versiegeln des Zellengehäuses (20), auf die Schutzschicht bzw. auf die Kapselung (36) thermisch, mechanisch und/oder chemisch eingewirkt wird, so dass die Schutzschicht bzw. die Kapselung (36) zur Freigabe des Elektrolyts (22) geöffnet oder zumindest teilweise zersetzt wird.
  8. Batterie (4) mit einer nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellten Lithium-lonen-Batteriezelle (10).
  9. Elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (2) mit einer Batterie (4) nach Anspruch 8.
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US20150188181A1 (en) * 2011-12-27 2015-07-02 Lg Chem, Ltd. Lithium secondary battery and preparation thereof

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