DE102020005083A1 - Stack battery with solid electrolyte - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung von Stapelbatterien mit einem Festkörperelektrolyten, welches Verfahrensschritte zum Stapeln, zum Heizen, zum Evakuieren, zum Befüllen und zum Abkühlen umfasst.The invention relates to a method for producing stacked batteries with a solid electrolyte, which comprises method steps for stacking, heating, evacuating, filling and cooling.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stapelbatterien, die einen Festelektrolyten enthalten. Stapelbatterien, welche auch als Bipolarbatterien bezeichnet werden können, sind nach einem Bipolar-Prinzip aufgebaut, welches aus dem Bereich der Brennstoffzelle bekannt ist. Die Stapelbatterien setzen sich aus übereinander gestapelten Bipolarelektroden zusammen. Die Bipolarelektroden bestehen aus einer Trägerfolien, die entweder aus Metall oder einem leitfähigen Kunststoff besteht, die beidseitig mit Aktivmaterial beschichtet ist. Einer Seite einer jeweiligen Bipolarelektrode wird die Eigenschaft einer positiven Elektrode durch die Materialauswahl der Beschichtung aufgeprägt. Der anderen Seite wird durch Materialauswahl der Beschichtung die Eigenschaft einer negativen Elektrode aufgeprägt. Anodenmaterialschicht und Kathodenmaterialschicht sind auf einer Bipolarelektrode im Allgemeinen deckungsgleich oder eine der Elektroden (Anode oder Kathode) überragt in beide Richtungen der Erstreckung die jeweils andere, was beispielsweise aus Gründen der Vermeidung sogenannten Lithium-Plattings erforderlich sein kann.The invention relates to a method for producing stacked batteries which contain a solid electrolyte. Stack batteries, which can also be referred to as bipolar batteries, are constructed according to a bipolar principle, which is known from the field of fuel cells. The stacked batteries consist of bipolar electrodes stacked one on top of the other. The bipolar electrodes consist of a carrier film made of either metal or a conductive plastic that is coated on both sides with active material. The property of a positive electrode is imprinted on one side of a respective bipolar electrode by the choice of material for the coating. The property of a negative electrode is imposed on the other side by the choice of material for the coating. The anode material layer and cathode material layer are generally congruent on a bipolar electrode or one of the electrodes (anode or cathode) protrudes over the other in both directions of extension, which may be necessary, for example, to avoid so-called lithium plating.
Ein Elektrolyt, der den lonenaustausch zwischen sich gegenüberstehenden Schichten von Anodenmaterial und Kathodenmaterial benachbarter Bipolarelektroden ermöglicht, ist erforderlich, um eine galvanische Zelle zu bilden. Bei Stapelbatterien bildet die gegengleich gestapelte Anordnung der Bipolarelektroden eine Reihenschaltung der galvanischen Zellen, wobei n Bipolarelektroden n-1 galvanische Zellen ausbilden.An electrolyte that allows ion exchange between opposing layers of anode material and cathode material of adjacent bipolar electrodes is required to form a galvanic cell. In the case of stacked batteries, the oppositely stacked arrangement of the bipolar electrodes forms a series connection of the galvanic cells, with n bipolar electrodes forming n-1 galvanic cells.
Stapelbatterien weisen den ausdrücklichen Vorteil auf, dass die Energiedichte, im Vergleich zu konventionell aufgebauten Batterien mit gleicher Basischemie, deutlich höher ist, weil weniger Komponenten verbaut sind und Totvolumina weitgehend ausgeschlossen sind. Zudem sind die Kosten häufig geringer, da die Teilevielfalt geringer ist, weniger Teile verbaut werden und zudem weniger Fertigungsschritte zur Herstellung erforderlich sind.Stack batteries have the express advantage that the energy density is significantly higher compared to conventionally constructed batteries with the same basic chemistry, because fewer components are installed and dead volumes are largely excluded. In addition, the costs are often lower because the variety of parts is smaller, fewer parts are installed and fewer production steps are required for production.
Der Trend zur weiteren Steigerung der Energieinhalte von Batterien bei gleichzeitiger Anhebung der Sicherheit hat im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien dazu geführt, dass die Bestrebung in die Richtung geht, dass einerseits das Konzept der Stapelbatterie gegenüber der konventionellen Bauweise mit einzeln gehausten und elektrisch verbunden galvanischen Zellen mehr Verbreitung findet und andererseits sich die Tendenzen der Entwicklung darauf ausrichten, einen Festelektrolyten anstatt der bisherigen Flüssigelektrolyten einzusetzen, die zwar gute elektrische Eigenschaften zeigen, aber als sicherheitskritisch im Fehlerfall angesehen werden. Durch den Einsatz von Festkörperelektrolyten erwartet man sich die Möglichkeit, auf der Anodensite metallisches Lithium anstatt eines Interkalationsmaterials einsetzen zu können und so eine zusätzliche Steigerung der Energiedichte zu erreichen.In the area of lithium-ion batteries, the trend towards further increasing the energy content of batteries while at the same time increasing safety has led to efforts going in the direction that on the one hand the concept of the stacked battery is to be compared to the conventional design with individually housed and electrically connected batteries galvanic cells is becoming more widespread and, on the other hand, the development tendencies are geared towards using a solid electrolyte instead of the previous liquid electrolytes, which have good electrical properties but are regarded as safety-critical in the event of a fault. The use of solid electrolytes is expected to make it possible to use metallic lithium on the anode site instead of an intercalation material and thus achieve an additional increase in energy density.
Von den Festelektrolyten gibt es verschiedene Varianten. Als aussichtsreiche Kandidaten für den kommerziellen Durchbruch werden aktuell drei Materialklassen angesehen, die sehr sicheren und im Umgang unkritischen Oxide, beispielsweise LLZO, LATP, die sehr gut leitfähigen aber im Umgang schwierig zu behandelnden Thio-Phosphate, beispielweise LPS, und die breite Klasse der lonenleitfähigen Polymere, beispielsweise PEO, n-PAN.There are different types of solid electrolytes. Three material classes are currently viewed as promising candidates for a commercial breakthrough: the very safe and handling-uncritical oxides, such as LLZO and LATP, the very conductive but difficult-to-handle thiophosphates, such as LPS, and the broad class of ion-conducting materials Polymers, e.g. PEO, n-PAN.
Oxidischen und thio-phosphatischen Festkörperelektrolyten gemeinsam ist, dass grundlegende Fragen der Kinetik an den Grenzschichten (Durchtritt und Stabilität) zwischen Aktivmaterialien und Festkörperelektrolyt nicht vollständig geklärt sind und sich diese Technologien daher noch im Stadium der Forschung befinden (DOI: 10.1149/1945-7111/ab7f84). Bei Polymerelektrolyten ist das Problem der Grenzschicht ebenfalls bekannt, wobei die Kompatibilität mit gängigen Aktivmaterialien besser ist als bei Oxiden und Thio-Phosphaten. Die Verarbeitung der Polymerelektrolyte zu galvanischen Zellen ist in der Patentliteratur beschrieben, z.B. wird in
Ausgehend von diesem Stand der Technik der wird ein Verfahren zur Herstellung von Stapelbatterien mit einem Festkörperelektrolyten vorgeschlagen, welches durch optimale Benetzung der Oberflächen einen minimalen Übergangswiderstand an den Phasengrenzen zwischen den Aktivmaterialien und dem Festkörperelektrolyten erzeugt.Proceeding from this prior art, a method for producing stacked batteries with a solid electrolyte is proposed which, through optimal wetting of the surfaces, generates a minimum contact resistance at the phase boundaries between the active materials and the solid electrolyte.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Stapelbatterie (1), die aus einer wiederkehrenden Folge von zueinander in Überdeckung befindlichen, plattenförmigen Elementen, nämlich den Anodenschichten (12), den lonen-blockierenden Trennschichten (14), den Kathodenschichten (16) und den Festelektrolytschichten (10), mit Dichtungen (20) an den umlaufenden Rändern der plattenförmigen Elemente besteht, dadurch, dass die Stapelbatterie in einem ersten Verfahrensschritt, dem Stapelschritt, insofern mechanisch zusammengesetzt wird, dass eine Abfolge folgender plattenförmiger Elemente, Anodenschichten, Ionen-blockierende Trennschichten, Kathodenschichten und zusätzliche poröse Trennschichten mit Dichtungen an den umlaufenden Rändern der plattenförmigen Elemente durch abwechselndes Stapeln der plattenförmigen Elemente und Auftragen der Dichtungen entsteht, wobei vor oder nach dem Auftragen einer Dichtung jeweils mindestens eine Kanüle an eine vorgesehene Positionen an den jeweiligen Rändern der plattenförmigen Elemente positioniert wird. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt, dem Heizschritt, wird die Abfolge folgender plattenförmiger Elemente, Anodenschichten, Ionen-blockierende Trennschichten, Kathodenschichten und zusätzliche poröse Trennschichten mit Dichtungen an den umlaufenden Rändern der plattenförmigen Elemente erwärmt, beispielweise durch taktiles Heizen mittels Heizplatten an der flächig ersteckten Ober- und/oder der flächig ersteckten Unterseite der Abfolge der plattenförmigen Elemente, durch Bestrahlen oder Umströmen mit einem warmen Gas. Die Temperatur der bezeichneten Abfolge plattenförmiger Elemente wird auf eine Temperatur zwischen 50 °C und 300 °C erwärmt, besonders bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 100 °C und 150 °C.The object is achieved by a method for producing a stack battery (1), which consists of a recurring sequence of overlapping plate-shaped elements, namely the anode layers (12), the ion-blocking separating layers (14), the cathode layers (16) and the solid electrolyte layers (10), with seals (20) on the peripheral edges of the plate-shaped elements, characterized in that that the stacked battery is mechanically assembled in a first method step, the stacking step, in that a sequence of the following plate-shaped elements, anode layers, ion-blocking separating layers, cathode layers and additional porous separating layers with seals on the peripheral edges of the plate-shaped elements are assembled by alternating stacking of the plate-shaped elements and applying the seals, with at least one cannula being positioned at a predetermined position on the respective edges of the plate-shaped elements before or after the application of a seal. In a subsequent process step, the heating step, the sequence of the following plate-shaped elements, anode layers, ion-blocking separating layers, cathode layers and additional porous separating layers with seals on the peripheral edges of the plate-shaped elements is heated, for example by tactile heating by means of heating plates on the flat upper surface. and/or the flat, extended underside of the sequence of plate-shaped elements, by irradiating or flowing a warm gas around them. The temperature of the designated sequence of plate-shaped elements is heated to a temperature between 50°C and 300°C, particularly preferably to a temperature between 100°C and 150°C.
Nach dem erfolgten Stapelschritt wird in einem weiteren Verfahrensschritt, dem Evakuierschritt, Gas welches sich in den Bereichen zwischen den Ionen-leitenden Trennschichten und den Dichtungen befindet, durch die Kanülen abgeführt, indem beispielweise an die außenliegenden Enden der Kanülen Vakuumerzeuger temporär angeschlossen werden.After the stacking step has taken place, in a further process step, the evacuation step, gas located in the areas between the ion-conducting separating layers and the seals is removed through the cannulas, for example by temporarily connecting vacuum generators to the outer ends of the cannulas.
Nach dem Evakuierschritt werden in einem weiteren Verfahrensschritt, dem Befüllschritt, durch die Kanülen definierte Mengen eines verflüssigten Festelektrolyten in die Bereiche zwischen den Ionen-leitenden Trennschichten und den Dichtungen eingeleitet, indem Flüssigkeitspumpen oder Spritzenautomaten oder funktional ähnliche Vorrichtungen an die außenliegenden Enden der Kanülen angeschlossen werden und die definierten Mengen eines verflüssigten Festelektrolyten mit Überdruck in die Kanülen eingeleitet werden. Durch das dadurch herbeigeführte Vorhandensein des Festelektrolyten zwischen den Anodenschichten und den Kathodenschichten werden die galvanischen Zellen ausgebildet und die Abfolge der plattenförmigen Elemente wird funktional zur Stapelbatterie.After the evacuation step, in a further process step, the filling step, defined amounts of a liquefied solid electrolyte are introduced through the cannulas into the areas between the ion-conducting separating layers and the seals by liquid pumps or syringe machines or functionally similar devices being connected to the outer ends of the cannulas and the defined amounts of a liquefied solid electrolyte are introduced into the cannulas with excess pressure. The resulting presence of the solid electrolyte between the anode layers and the cathode layers forms the galvanic cells and the sequence of plate-shaped elements becomes a functional stack battery.
Nach dem Befüllschritt wird in einem weiteren Verfahrensschritt, dem Abkühlschritt, die Stapelbatterie abgekühlt, beispielsweise durch Anströmen eines kalten Gases oder durch das Anlegen von temperierten Platten, auf eine Temperatur von beispielsweis 25 °C oder auf die Temperatur vor dem Heizschritt oder auf eine andere frei definierbare Temperatur.After the filling step, in a further process step, the cooling step, the stack battery is cooled down, for example by flowing a cold gas or by applying temperature-controlled plates, to a temperature of, for example, 25 °C or to the temperature before the heating step or to a different temperature definable temperature.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt, dem Verdampfungsschritt, der nach dem Befüllschritt und vor dem Abkühlschritt stattfindet, durch die Kanülen eine etwaig im Bereich, der zwischen jeweils benachbarten lonen-blockierenden Trennschichten und der umlaufend befindlichen Dichtung eingeschlossen wird, befindliche Gas- oder Dampfmenge in die Umgebung abgeführt, indem beispielsweise an das äußere Ende der Kanüle eine Vakuumpumpe angeschlossen wird. Dieser Verdampfungsschritt erfolgt zeitlich erstreckt über eine definierte Haltezeit, in der das Gas bzw. der Dampf abgeführt wird.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, in an additional method step, the evaporation step, which takes place after the filling step and before the cooling step, the cannulas are used to The amount of gas or vapor present is discharged into the environment, for example by connecting a vacuum pump to the outer end of the cannula. This evaporation step takes place over a defined holding time, during which the gas or vapor is removed.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der verflüssigte Elektrolyt für den Befüllschritt bereitgestellt, indem dieser in einem Vorlagebehälter durch Heizen in dem flüssigen Aggregatzustand versetzt wird.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the liquefied electrolyte is provided for the filling step by being converted into the liquid state of aggregation by heating in a storage container.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während des Stapelschritts, während des Heiz- und Evakuierschritts, während des Befüllschritts, während des Verdampfungsschritts und/oder während des Abkühlschritts eine Kraft in Stapelrichtung der Stapelbatterie ausgeübt.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, a force is exerted in the stacking direction of the stacked battery during the stacking step, during the heating and evacuation step, during the filling step, during the evaporation step and/or during the cooling step.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zum Zweck des Evakuierens und/oder zum Befüllen der Stapelbatterie mit Elektrolyt in jede umlaufende Dichtung der Stapelbatterie zwei oder mehr Kanülen eingelegt.In a further advantageous embodiment of the invention, two or more cannulas are inserted into each circumferential seal of the stack battery for the purpose of evacuating and/or filling the stack battery with electrolyte.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Kanülen zum Evakuieren und/oder Befüllen der Stapelbatterie mit Elektrolyt aus einem der folgenden Werkstoffe Polyetheretherketon (PEEK), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE)oder Edelstahl 1.4404 und weisen am äußeren Anschluss ein Septum oder einen Luer-Verbinder oder einen Steckverbinder auf.In a further advantageous embodiment of the invention, the cannulas for evacuating and/or filling the stack battery with electrolyte consist of one of the following materials: polyetheretherketone (PEEK), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE) or stainless steel 1.4404 and have a septum or a luer connector or a plug connector.
Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten
-
1 eineStapelbatterie 1, die aus der wiederkehrenden Abfolge übereinander in folgender Reihenfolge gestapelter Schichten, i.e. Anodenschicht 121, 122, ... über Festelektrolytschicht 101, 102, ... über Kathodenschicht 161, 162, ... über Ionen-blockierender Trennschicht 141, 142, ..., besteht sowie aus Dichtungen 201, 202, ..., die einen freien Austausch der vorgenannten Schichten mit der Umgebung verhindern. Als Teil des Herstellungsprozesses derStapelbatterie 1 wird erfindungsgemäß in einem Stapelschritt eine wiederkehrende Abfolge der folgenden Schichten, i.e. Anodenschicht 121, 122, ... über poröser Trennschicht 181, 182, ... über Kathodenschicht 161, 162, ... über Ionen-blockierender Trennschicht 141, 142, ... durch den Einsatz konventioneller Manipulations- und Positioniertechniken für folienartige Bauteile erzeugt.
-
1 astack battery 1, which consists of the recurring sequence of layers stacked one above the other in the following order, ie anode layer 12 1 , 12 2 , ... over solid electrolyte layer 10 1 , 10 2 , ... over cathode layer 16 1 , 16 2 , ... over ion-blocking separation layer 14 1 , 14 2 , ..., and gaskets 20 1 , 20 2 , ..., which prevent a free exchange of the aforementioned layers with the environment. According to the invention, as part of the manufacturing process of thestacked battery 1, in a stacking step, a recurring sequence of the following layers, ie anode layer 12 1 , 12 2 , ... over porous separating layer 18 1 , 18 2 , ... over cathode layer 16 1 , 16 2 , ... over ion-blocking separating layer 14 1 , 14 2 , ... generated using conventional manipulation and positioning techniques for sheet-like components.
Während des Stapelschritts werden zudem Kanülen 301, 302,... in die Dichtungen 201, 202, ... eingelegt, sodass diese Kanülen mit jeweils einem Ende im Inneren der vorgenannten, wiederkehrenden Abfolge der Schichten liegen und mit den jeweils äußeren Enden, den äußeren Anschlüssen der Kanülen 951, 952, ..., außerhalb liegen. An die äußeren Anschlüsse der Kanülen 951, 952, ... sind im in
Die wiederkehrende Abfolge der Schichten ist im gezeigten Ausführungsbeispiel von Heizplatten 901, 902, ... eingefasst, sodass in einem dem Stapelschritt nachfolgenden Heizschritt die Abfolge der Schichten, ausgehend von einer Anfangstemperatur, beispielweise Raumtemperatur 25 °C, auf eine höhere Temperatur geheizt wird, beispielweise auf eine Temperatur von 130 °C, indem die im in
Im erfindungsgemäßen Befüllschritt wird nach erfolgten Evakuierschritt und Heizschritt verflüssigter Elektrolyt 151, 152, ..., im gezeigten Ausführungsbeispiel unter Verwendung der Befüllpumpen 551, 552, ..., durch die Kanülen 301, 302, ... zwischen die Schichten der wiederkehrenden Abfolge der Schichten gefördert.In the filling step according to the invention, after the evacuation step and heating step have been completed, liquefied electrolyte 15 1 , 15 2 , . . . promoted between the layers of the recurring sequence of layers.
In einem dem Befüllschritt nachfolgenden Abkühlschritt wird im gezeigten Ausführungsbeispiel durch Absenken der Temperatur der Heizplatten die Temperatur der wiederkehrenden Abfolge der Schichten ebenfalls gesenkt, wodurch durch Änderung des Aggregatzustandes die Festelektrolytschichten 101, 102, ... entstehen oder es werden in einem dem Befüllschritt nachfolgenden Verdampfungsschritt Lösemittelanteile im verflüssigten Elektrolyten 151, 152, ... verdampft und über die Kanülen 301, 302, ... und Vakuumpumpen 501, 502, ... abgeführt, wodurch der verflüssigte Elektrolyt 151, 152, ... nach und nach stockt, wodurch wiederum die Festelektrolytschichten 101, 102, ... entstehen. Nach dem Austreiben restlicher Lösemittelanteile wird im finalen Abkühlschritt lediglich die Temperatur der Stapelbatterie 1 wieder reduziert, beispielsweise auf Raumtemperatur 25 °C.In a cooling step that follows the filling step, in the exemplary embodiment shown, the temperature of the recurring sequence of layers is also reduced by lowering the temperature of the heating plates, whereby the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Stapelbatteriestack battery
- 101, 102,101, 102,
- Festelektrolytschichtsolid electrolyte layer
- 121, 122,121, 122,
- Anodenschichtanode layer
- 141, 142,141, 142,
- Ionen-blockierenden TrennschichtIon-blocking separating layer
- 151, 152,151, 152,
- verflüssigter Festelektrolytliquefied solid electrolyte
- 161, 162,161, 162,
- Kathodenschichtcathode layer
- 181, 182,181, 182,
- poröse Trennschichtporous separating layer
- 201, 202,201, 202,
- Dichtungpoetry
- 301, 302,301, 302,
- Kanülecannula
- 401, 402,401, 402,
- Vorlagebehälterstorage container
- 501, 502,501, 502,
- Vakuumpumpevacuum pump
- 551, 552,551, 552,
- Befüllpumpefilling pump
- 601, 602,601, 602,
- 3-Wege-Ventil3-way valve
- 901, 902,901, 902,
- Heizplattehotplate
- 951, 952,951, 952,
- äußerer Anschluss der Kanüleouter connection of the cannula
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0002360000 Ipc: H01M0050600000 |