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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektrodeneinheit einer Batteriezelle und ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Elektrodeneinheit.
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Stand der Technik
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Zur Umsetzung der Elektromobilität werden Sekundärbatterien, die auch als wieder aufladbare Akkumulatoren bezeichnet werden, zur Speicherung elektrischer Energie verwendet. Dafür sind insbesondere Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer vergleichsweise großen Energiedichte sowie ihrer vergleichbar guten thermischen Stabilität und geringen Selbstentladung geeignet.
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Eine solche Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Lithium-Ionen-Batteriezellen. Derartige Lithium-Ionen-Batteriezellen umfassen üblicherweise eine oder mehrere Elektrodeneinheiten in Form von Elektrodenwickeln oder Elektrodenstapeln, die wiederum zumindest eine positive Elektrode, zumindest eine negative Elektrode und zumindest einen Separator aufweisen. Dabei kann der zumindest eine Separator die zumindest eine positive und die zumindest eine negative Elektrode räumlich voneinander trennen und damit einen durch einen Kontakt zwischen der positiven und der negativen Elektrode verursachten internen elektrischen Kurzschluss verhindern.
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Aus dem Dokument
US 2012321932 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, bei der ein erster Separator auf einer ersten Seite einer Elektrode und ein zweiter Separator auf einer zweiten Seite der besagten Elektrode laminiert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Elektrodeneinheit einer Batteriezelle und ein Verfahren zu deren Herstellung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Weiterhin ist auch die Verwendung einer solchen Elektrodeneinheit Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit umfasst dabei eine erste Elektrode mit einer ersten Trägerfolie, wobei die erste Trägerfolie auf deren erster Seite eine erste Grundfläche und eine mit der ersten Grundfläche verbundene Elektrodenkontaktierung aufweist. Weiter umfasst die erfindungsgemäße Elektrodeneinheit einen ersten Separator, welcher eine größere erste Großfläche als die erste Grundfläche der ersten Trägerfolie aufweist. Mit anderen Worten ausgedrückt, weist die erste Großfläche des ersten Separators einen größeren Flächeninhalt als die erste Grundfläche der ersten Trägerfolie auf. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der erste Separator derart auf der ersten Seite der ersten Trägerfolie angeordnet ist, dass der erste Separator die erste Grundfläche der ersten Trägerfolie vollflächig und die mit der ersten Grundfläche verbundenen Elektrodenkontaktierung auf deren einer Seite bereichsweise abdeckt.
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Der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der erste Separator als Stützelement mit einer mechanischen Stützfunktion die Elektrodenkontaktierung vor einem Kontakt mit einer gegenpoligen Elektrodenkontaktierung durch Biegen einer der beiden Elektrodenkontaktierung beim Zusammenbau einer Batteriezelle oder während eines Betriebs der Batteriezelle schützen kann. Des Weiteren dient die mechanische Stützfunktion auch dazu, die Elektrodenkontaktierung im Falle eines Zusammenstoßens zu schützen, welches beispielsweise eine auf der Batteriezelle einwirkende Kraft hervorruft, wie es bei einem Autounfall der Fall ist. Damit kann ein interner elektrischer Kurzschluss zwischen den gegenpoligen Elektroden vermieden werden.
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Damit kann ein interner elektrischer Kurzschluss zwischen den gegenpoligen Elektroden vermieden werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So ist es von Vorteil, wenn eine erste Kante der ersten Grundfläche der ersten Trägerfolie und eine senkrecht zu der besagten ersten Kante anliegende zweite Kante der Elektrodenkontaktierung zumindest abschnittsweise gezähnt sind. Die erste bzw. zweite Kante kann beispielsweise ein periodisch auftretendes Kantenmuster, wie z. B. in Form von Zacken, aufweisen. Dabei sind die erste und die zweite Kante vorzugsweise an einer der Stellen der ersten Trägerfolie vorgesehen, wo ein minimaler Kurvenradius durch eine Kontaktierung bzw. eine Verbindung der ersten Kante mit der zweiten Kante ausgebildet ist. Der Vorteil dabei besteht darin, dass die erste Grundfläche und die damit verbundene Elektrodenkontaktierung einteilig bereitgestellt werden können. Dadurch werden keine zusätzlichen Haftelemente oder Verbindungselemente zwischen der Elektrodenkontaktierung und der ersten Grundfläche der ersten Trägerfolie benötigt.
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Weiter vorteilhafterweise ist es, wenn ein zweiter Separator aufweisend eine größere zweite Großfläche als eine zweite Grundfläche der ersten Trägerfolie derart auf einer zweiten Seite der ersten Trägerfolie angeordnet ist, dass der zweite Separator die zweite Grundfläche vollflächig und die Elektrodenkontaktierung auf deren anderer Seite bereichsweise abdeckt. Darunter kann verstanden sein, dass die zweite Großfläche des zweiten Separators einen größeren Flächeninhalt als die zweite Grundfläche der ersten Trägerfolie aufweist. Dabei ist die zweite Grundfläche der besagten ersten Grundfläche gegenüberliegend ausgeführt während die zweite Seite der besagten ersten Seite der ersten Trägerfolie. Damit kann die Elektrodenkontaktierung auf deren anderer Seite vor einem möglichen Kontakt mit einer weiteren gegenpoligen Elektrodenkontaktierung im Falle eines Biegens einer der Elektrodenkontaktierungen geschützt werden.
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So ist vorteilhaft, wenn die erste Elektrode zumindest teilweise durch den ersten und den zweiten Separator umschlossen ist. Darunter kann verstanden sein, dass der erste Separator und der zweite Separator derart übereinander angeordnet sowie weiterhin beispielsweise an deren Kanten miteinander verbunden sind, dass die erste und die zweite Grundfläche als Ganzes innerhalb eines Zwischenraumes der beiden Separatoren aufgenommen sind. Dabei ist die Elektrodenkontaktierung ihrerseits vorzugsweise teilweise von den beiden Separatoren abgedeckt. Ein mit den beiden Separatoren nicht in Berührung stehender Anteil der Elektrodenkontaktierung ist dazu ausgelegt, mit einer oder mehreren weiteren Elektrodenkontaktierungen einer oder mehrerer weiterer Elektrodeneinheiten elektrisch leitend zu verbinden. Damit kann die erste Elektrode auf deren erster und zweiter Grundfläche von einer oder mehreren weiteren gegenpoligen Elektroden räumlich absolut getrennt und somit ein dazwischen möglicher elektrischer Kurzschluss vermieden werden.
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Dabei ist vorteilhaft, wenn zumindest einer der Separatoren einen Festkörperelektrolyten aufweist. Aufgrund der Verwendung eines Festkörperelektrolyten anstatt eines flüssigen Elektrolyten kann die Gefahr einer Entzündung des flüssigen Elektrolyten beim Erwärmen einer diesen enthaltenden Batteriezelle vermieden werden. Damit kann die Betriebssicherheit einer solchen Batteriezelle verbessert werden.
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So ist von besonderem Vorteil, wenn die erste Elektrode als negative Elektrode ausgeführt ist, wobei die negative Elektrode bspw. metallisches Lithium aufweist. Damit kann eine elektrische Leitfähigkeit der betroffenen Elektrodeneinheit durch Verwendung des metallischen Lithiums erhöht werden.
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Alternativ vorteilhaft ist es, wenn die erste Elektrode als positive Elektrode ausgeführt ist, wobei ein erstes positives Aktivmaterial zu einer Ausbildung einer ersten positiven Aktivmaterialfläche auf der ersten Grundfläche der ersten Trägerfolie aufgebracht ist. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn dasselbe positive Aktivmaterial zu einer Ausbildung einer zweiten positiven Aktivmaterialfläche auf der zweiten Grundfläche der ersten Trägerfolie aufgebracht ist. Das positive Aktivmaterial kann dabei Lithium-Kobaltoxid umfassen. Diese Maßnahme stellt eine beiderseitig mit einem positiven Aktivmaterial beschichtete positive Elektrode zur Verfügung, welche eine doppelte elektrische Leitfähigkeit gegenüber einer Elektrode gemäß dem Stand der Technik aufweist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit einer Batteriezelle bereitgestellt.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass in einem Verfahrensschritt ein erster Separator aufweisend eine größere erste Großfläche als eine sich auf einer ersten Trägerfolie einer ersten Elektrode befindende erste Grundfläche derart auf der ersten Trägerfolie angeordnet wird, dass der erste Separator die erste Grundfläche vollflächig und eine mit der ersten Grundfläche verbundene Elektrodenkontaktierung auf deren einer Seite bereichsweise abdeckt. Diese Maßnahme stellt sicher, dass die erste Grundfläche der ersten Elektrode durch den ersten Separator elektrisch isoliert wird.
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Vorteilhafterweise wird vor dem besagten Verfahrensschritt in einem Vorbereitungsverfahrensschritt die erste Trägerfolie bereitgestellt, welche eine Hilfsfläche, die erste Grundfläche und die Elektrodenkontaktierung umfasst. Dabei wird die Hilfsfläche auf der ersten Trägerfolie mittels Perforieren von der ersten Grundfläche und der Elektrodenkontaktierung abgrenzt. An den Grenzen der Hilfsfläche zu der ersten Grundfläche und der Elektrodenkontaktierung sind beispielsweise mehrere schlitzartige oder lochförmige Durchbrechungen vorgesehen. Diese Durchbrechungen bilden an den Grenzen jeweils eine Trennlinie aus. Diese Maßnahme erlaubt es beispielsweise, dass die Elektrodenkontaktierung zugleich mit der ersten Grundfläche aus der ersten Trägerfolie ausgebildet werden kann. Dafür werden keine zusätzlichen Verfahrensschritte zu einer Bereitstellung der Elektrodenkontaktierung und anschließend deren Verbindung mit der ersten Grundfläche benötigt.
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Weiter vorteilhafterweise wird in einem Bearbeitungsverfahrensschritt, der vorzugsweise nach dem besagten Verfahrensschritt ausgeführt wird, die Hilfsfläche derart aus der ersten Trägerfolie entfernt, dass eine erste Kante der ersten Grundfläche und eine senkrecht zu der ersten Kante anliegende zweite Kante der Elektrodenkontaktierung zumindest abschnittsweise eine gezähnte Struktur aufweisen. Dabei wird die Hilfsfläche beispielsweise entlang der jeweiligen Trennlinie an der Grenze zu der ersten Grundfläche und zu der Elektrodenkontaktierung von der ersten Trägerfolie abgetrennt. Dadurch entsteht die abschnittsweise gezähnte Struktur an der ersten und der zweiten Kante.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in einem weiteren Verfahrensschritt nach dem Bearbeitungsverfahrensschritt ein zweiter Separator aufweisend eine größere zweite Großfläche als eine zweite Grundfläche der ersten Trägerfolie derart auf der ersten Trägerfolie angeordnet wird, dass der zweite Separator die zweite Grundfläche vollflächig und die Elektrodenkontaktierung auf deren anderer Seite bereichsweise abdeckt. Damit kann die erste Elektrode ohne Zuhilfenahme von zusätzlichen Isolationselementen vergleichsweise gut elektrisch isoliert werden.
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Die erfindungsgemäße Elektrodeneinheit lässt sich vorteilhaft für eine Festkörperbatteriezelle einsetzen, die unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz kommt.
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Figurenliste
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In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- Figur la eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Elektrodeneinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 1b eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Elektrodeneinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- 2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Elektrodeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In Figur la ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodeneinheit 10 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
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Die Elektrodeneinheit 10 ist beispielsweise in Form eines Elektrodenstapels abgebildet. Dabei weist die Elektrodeneinheit 10 zum Beispiel eine erste Elektrode 102 auf, welche entweder eine positive Polarität oder eine negative Polarität aufweist. Dabei ist eine erste Seite bzw. eine Vorderseite der ersten Elektrode 102 exemplarisch in 1 sichtbar dargestellt. Die erste Elektrode 102 weist üblicherweise eine zweite Seite bzw. eine Rückseite auf, die der ersten Seite bzw. der Vorderseite gegenüberliegend positioniert ist und bezüglich deren Beschreibung wird auf die erste Seite verwiesen. Die erste Elektrode 102 umfasst beispielsweise eine erste Trägerfolie 104, die vorzugsweise metallisch, beispielsweise aus Aluminium, ausgeführt ist. Die erste Trägerfolie 104 besteht auf deren erster Seite aus einer vorzugsweise rechteckig ausgebildeten ersten Grundfläche 106 und einer Elektrodenkontaktierung 108. Die Elektrodenkontaktierung 108 ist dabei vorzugsweise wie die erste Grundfläche 106 rechteckig ausgebildet. Dabei ist die erste Grundfläche 106 vorzugsweise zu einem Aufbringen eines Aktivmaterials der ersten Elektrode 102 unter einer Ausbildung einer elektrischen Leitfähigkeit der ersten Elektrode 102 ausgelegt.
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Gemäß der abgebildeten Draufsicht der Elektrodeneinheit 10 ist eine Vorderseite der Elektrodenkontaktierung 108 sichtbar dargestellt, wobei die Elektrodenkontaktierung 108 üblicherweise eine der Vorderseite gegenüberliegend ausgeführte Rückseite aufweist. Dabei ist die Elektrodenkontaktierung 108 vorzugsweise rechteckig und mit der ersten Grundfläche 106 flächenbündig stehend ausgeführt.
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Weiter umfasst die erste Trägerfolie 104 eine Hilfsfläche 124, die jeweils eine gemeinsame Kante 114, 116 mit der ersten Grundfläche 106 und mit der Elektrodenkontaktierung 108 aufweist. Die Hilfsfläche 124 und die erste Grundfläche 106 sowie die Elektrodenkontaktierung 108 sind beispielsweise mittels eines Perforationsprozess voneinander abgegrenzt. Dabei ist eine erste Kante 114, mit anderen Worten ausgedrückt die gemeinsame Kante der Hilfsfläche 124 und der ersten Grundfläche 106 sowie eine zweite Kante 116, auch als die gemeinsame Kante der Hilfsfläche 124 mit der Elektrodenkontaktierung 108 zu verstehen, mit einer gezähnten Struktur vorgesehen. Dies kann zum Beispiel nach dem Perforationsprozess entstehen in der Art, dass die Hilfsfläche 124 von der ersten Trägerfolie 104 abgetrennt wird.
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Weiterhin umfasst die Elektrodeneinheit 10 einen ersten Separator 110, welcher beispielsweise in Form eines Festkörperelektrolyten, z. B. Polymerelektrolyten, ausgeführt ist. Der erste Separator 110 ist dabei derart auf der ersten Elektrode 102 angeordnet, dass der erste Separator 110 die erste Grundfläche 106 vollflächig und die Elektrodenkontaktierung 108 in einer der ersten Grundfläche 106 abgewandten Richtung teilweise abdeckt. Dabei umfasst der erste Separator 110 eine erste Großfläche 112, welche vorzugsweise einen größeren Flächeninhalt als die erste Grundfläche 106 der ersten Trägerfolie 104 aufweist.
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In 1b ist eine Seitenansicht der Elektrodeneinheit 10 gemäß 1a dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Baukomponenten wie in 1a.
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Die Elektrodeneinheit 10 umfasst dabei beispielsweise einen dem ersten Separator 110 gegenüberliegend ausgeführten zweiten Separator 120. Dabei weist der zweite Separator 120 eine zweite Großfläche auf, die einen größeren Flächeninhalt als eine zweite Grundfläche 118 der ersten Elektrode 102 aufweist. Die zweite Großfläche ist beispielsweise identisch im Hinblick auf deren Flächeninhalt mit der ersten Großfläche 112 ausgeführt. Weiter ist der zweite Separator 120 seinerseits vergleichbar ausgeführt wie der erste Separator 110. Der zweite Separator 120 ist dabei über der zweiten Grundfläche 118 derart auf der ersten Elektrode 102 angeordnet, dass der zweite Separator 120 die zweite Grundfläche 118 vollflächig und die Elektrodenkontaktierung 108 auf deren anderer Seite bereichsweise abdeckt.
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Weiter ist die erste Elektrode 102 beispielsweise zwischen durch den ersten und den zweiten Separator 110, 120 angeordnet in der Art, dass der erste und der zweite Separator 110, 120 zusammen eine taschenförmige Struktur aufweisen und die erste Elektrode 102 darin aufgenommen ist. Weiterhin umfasst die Elektrodeneinheit 10 eine zweite Elektrode 122, welche der ersten Elektrode 102 gegenpolig ausgeführt ist. Damit ist gemeint, dass die erste Elektrode 102 beispielsweise als positive Elektrode der Elektrodeneinheit 10 fungiert während die zweite Elektrode 122 als negative Elektrode. Sinngemäß ist die erste Elektrode 102 als negative Elektrode ausgeführt während die zweite Elektrode 122 als positive Elektrode. Dabei weist die zweite Elektrode 122 eine gleiche Länge in einer Längsrichtung der Elektrodeneinheit 10 wie die erste Elektrode 102 auf und ist beispielsweise auf dem zweiten Separator 120 angeordnet. Alternativ kann die zweite Elektrode 122 auch auf dem ersten Separator 110 aufgebracht werden. Der über dem zweiten Separator 120 überstehende Überstand der zweiten Elektrode 122 ist beispielsweise als eine zweite Elektrodenkontaktierung der zweiten Elektrode 122 ausgebildet. Ferner kann die zweite Elektrode 122 im Hinblick auf deren mechanischen Aufbau der ersten Elektrode 102 entsprechend ausgeführt sein.
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In 2 ist ein Ablaufdiagram eines erfindungsgemäßen Verfahrens 20 zur Herstellung einer Elektrodeneinheit 10 dargestellt.
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Dabei wird in einem Vorbereitungsverfahrensschritt 202 eine erste Trägerfolie 104 mit einer Hilfsfläche 124, einer ersten Grundfläche 106 und einer Elektrodenkontaktierung 108 bereitgestellt. Die Hilfsfläche 124 wird beispielsweise mittels Perforieren von der ersten Grundfläche 106 und der Elektrodenkontaktierung 108 abgegrenzt. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt 204 ein erster Separator 110 aufweisend eine größere erste Großfläche 112 als die erste Grundfläche 106 derart auf der ersten Trägerfolie 104 angeordnet, dass der erste Separator 110 die erste Grundfläche 106 vollflächig und die Elektrodenkontaktierung 108 auf deren einer Seite bereichsweise abdeckt. Danach wird in einem Bearbeitungsverfahrensschritt 206 die Hilfsfläche 124 derart aus der ersten Trägerfolie 104 entfernt, dass eine erste Kante 114 der ersten Grundfläche 106 und eine senkrecht zu der ersten Kante 114 der ersten Grundfläche 106 anliegende zweite Kante 116 der Elektrodenkontaktierung 108 zumindest abschnittsweise eine gezähnte Struktur aufweisen. Weiter wird in einem weiteren Verfahrensschritt 208 ein zweiter Separator 120 aufweisend eine größere zweite Großfläche als eine zweite Grundfläche 118 der ersten Trägerfolie 104 derart auf der ersten Trägerfolie 104 angeordnet, dass der zweite Separator 120 die zweite Grundfläche 118 vollflächig und die Elektrodenkontaktierung 108 auf deren anderer Seite bereichsweise abdeckt. Weiterhin wird in einem vorläufigen abschließenden Verfahrensschritt 210 eine zweite Elektrode 122 unter Ausbildung einer Elektrodeneinheit 10 beispielsweise auf einem zweiten Separator 120 angeordnet.
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Die erfindungsgemäße Elektrodeneinheit 10 lässt sich vorteilhaft in lithiumhaltigen Batteriesystemen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien, verwenden. Diese wiederum finden Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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