DE102020101112A1 - Battery cells with surface-structured active material and process for their production - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle (20), insbesondere eine Li-lonen-Zelle, mit wenigstens zwei Elektroden sowie zwischen den Elektroden angeordneten Separatoren und einem Elektrolyten, wobei die Elektroden jeweils wenigstens einen Ableiter und eine Mehrzahl von Elektrodenlagen (1) aufweisen, sowie einer Umhüllung (21), die Komponenten der Batteriezelle (20) dicht umschließt. Die Batteriezelle (20) zeichnet sich, dadurch aus, dass die Elektrodenlage (1) einen wenigstens zweischichtigen Aufbau mit einer Trägerschicht (3) und wenigstens einer darauf angeordneten Elektrodenschicht (2) aufweist, wobei an einer Oberfläche (9) der Elektrodenlage (1) eine Struktur mit Kavitäten (8) vorgesehen ist, die eine vorgegebene Strukturtiefe (10) von mehr als 30% einer Elektrodenschichtdicke (12) aufweisenThe present invention relates to a battery cell (20), in particular a Li-ion cell, with at least two electrodes and separators arranged between the electrodes and an electrolyte, the electrodes each having at least one conductor and a plurality of electrode layers (1), as well as a casing (21) which tightly encloses components of the battery cell (20). The battery cell (20) is characterized in that the electrode layer (1) has an at least two-layer structure with a carrier layer (3) and at least one electrode layer (2) arranged thereon, with one surface (9) of the electrode layer (1) a structure is provided with cavities (8) which have a predetermined structure depth (10) of more than 30% of an electrode layer thickness (12)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Li-Ionen-Zelle, mit wenigstens zwei Elektroden, sowie zwischen den Elektroden angeordneten Separatoren und einem Elektrolyten, wobei die Elektroden jeweils wenigstens einen Ableiter und eine Mehrzahl von Elektrodenlagen aufweisen, sowie einer Umhüllung, die die Komponenten der Batteriezelle dicht umschließt. Insbesondere wird auch ein Verfahren zur Erzeugung der Oberflächenstrukturen angegeben.The present invention relates to a battery cell, in particular a Li-ion cell, with at least two electrodes, as well as separators arranged between the electrodes and an electrolyte, the electrodes each having at least one arrester and a plurality of electrode layers, as well as a casing that contains the Tightly encloses components of the battery cell. In particular, a method for producing the surface structures is also specified.
Im Stand der Technik sind Batterien bekannt, die aus einer Mehrzahl von Batteriezellen bestehen. Derartige Batterien werden in zunehmendem Maße benötigt, um elektrische Energie für mobile Anwendungen oder Transportaufgaben bereitzustellen. Insbesondere die Bereitstellung von elektrischer Energie für den Betrieb von Fahrzeugen für den Transport von Personen und Gütern erfordern die Bereitstellung von relativ großen Energiemengen, um die geforderten Reichweiten der Fahrzeuge sicherzustellen. Die Batteriezellen sind dabei galvanische Zellen, die in der Lage sind, elektrische Energie durch chemische Umwandlung zu speichern und diesen Speicherprozess bei Bedarf umzukehren, wobei dann durch eine weitere chemische Umwandlung wieder Energie freigegeben werden kann. Dieser Vorgang der chemischen Speicherung von elektrischer Energie und die nachfolgende Umkehr dieses Prozesses zur Energieabgabe wird auch als Zyklus bezeichnet. Hierbei ist es beispielsweise das Ziel, Batterien so zu gestalten, dass sie besonders haltbar sind, d. h. eine stetig größer werdende Anzahl von Lade- bzw. Entladezyklen durchlaufen können und bei möglichst konstanter Speicherkapazität einwandfrei funktionieren. Zudem besteht die Anforderung, dass Batteriezellen die Fähigkeit haben sollen eine möglichst große Energiemenge in möglichst kurzer Zeit speichern und anschließend wieder abgeben zu können. Diese Eigenschaft wird auch als Ladekapazität oder Speicherkapazität bezeichnet. Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten die Speicherkapazität von Batterien und den darin verbauten Batteriezellen zu vergrößern. Zum einen kann die Anzahl der verwendeten Batteriezellen erhöht werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kapazität der einzelnen Batteriezellen zu vergrößern, indem beispielsweise die geometrischen Abmaße vergrößert werden.In the prior art, batteries are known which consist of a plurality of battery cells. Batteries of this type are increasingly required to provide electrical energy for mobile applications or transport tasks. In particular, the provision of electrical energy for the operation of vehicles for the transport of people and goods requires the provision of relatively large amounts of energy in order to ensure the required range of the vehicles. The battery cells are galvanic cells that are able to store electrical energy through chemical conversion and, if necessary, reverse this storage process, whereby energy can then be released again through a further chemical conversion. This process of chemical storage of electrical energy and the subsequent reversal of this process for energy release is also known as a cycle. The aim here is, for example, to design batteries in such a way that they are particularly durable, i. H. can run through a steadily increasing number of charge and discharge cycles and function properly with a storage capacity that is as constant as possible. In addition, there is a requirement that battery cells should be able to store the largest possible amount of energy in the shortest possible time and then be able to release it again. This property is also known as loading capacity or storage capacity. There are basically two ways of increasing the storage capacity of batteries and the battery cells built into them. On the one hand, the number of battery cells used can be increased. Another possibility is to increase the capacity of the individual battery cells, for example by increasing the geometric dimensions.
Diese bislang bekannten Lösungen haben jedoch unterschiedliche Nachteile. So werden die Batterien dadurch die Umsetzung der bekannten Lösungen beispielsweise größer, schwerer und teurer.However, these previously known solutions have different disadvantages. For example, as a result of the implementation of the known solutions, the batteries are larger, heavier and more expensive.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere eine Batterie mit einer verbesserten Speicherkapazität bereitzustellen.The object of the present invention is therefore to at least partially solve the problems arising from the prior art. In particular, to provide a battery with an improved storage capacity.
Zur Lösung dieser Aufgaben wird eine Batterie mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.To achieve these objects, a battery with the features according to the independent patent claims is proposed. Advantageous further developments are the subject of the dependent claims. The features listed individually in the patent claims can be combined with one another in a technologically sensible manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and / or details from the figures, with further design variants of the invention being shown.
Vorliegend wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, die insbesondere als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein kann, und wenigstens zwei Elektroden sowie zwischen den Elektroden angeordnete Separatoren aufweist. Die Batteriezellen umfasst ferner einen Elektrolyten, an jeder Elektrode wenigstens einen Ableiter und eine Umhüllung, die diese Komponenten der Batteriezellen dicht umschließt. Die Ableiter ragen dabei zumindest teilweise aus der Umhüllung heraus, um die elektrischen Anschlusspole der Batteriezellen zu bilden. Die Elektroden der Batteriezelle weisen dabei jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenlagen auf, die dicht nebeneinander angeordnet sind und die von den Separatoren elektrisch getrennt werden. Elektrodenlagen können auch als Elektrodenfolien bezeichnet werden. Jede dieser Elektrodenlagen weist einen wenigstens zweischichtigen Aufbau auf, der zumindest eine Trägerschicht und eine darauf angeordnete Elektrodenschicht beinhaltet. Dabei ist vorgesehen, dass die Oberfläche der jeweiligen Elektrodenlage eine Struktur mit in die Tiefe wirkenden Kavitäten aufweist. Die Kavitäten sind dabei so ausgebildet, dass sie eine Strukturtiefe aufweisen, die mehr als 30 % einer Elektrodenschichtdicke beträgt. Insbesondere können die so erzeugten Kavitäten eine Art Porosität erreichen, die vorteilhaft für die Funktion der Elektrodenlage ist.In the present case, a battery cell is proposed which can in particular be designed as a lithium-ion cell and has at least two electrodes and separators arranged between the electrodes. The battery cells furthermore comprise an electrolyte, at least one conductor on each electrode and a casing which tightly encloses these components of the battery cells. The arresters protrude at least partially from the casing in order to form the electrical connection poles of the battery cells. The electrodes of the battery cell each have a plurality of electrode layers which are arranged close to one another and which are electrically separated from the separators. Electrode layers can also be referred to as electrode foils. Each of these electrode layers has an at least two-layer structure which includes at least one carrier layer and an electrode layer arranged thereon. It is provided that the surface of the respective electrode layer has a structure with deep cavities. The cavities are designed in such a way that they have a structure depth that is more than 30% of an electrode layer thickness. In particular, the cavities produced in this way can achieve a type of porosity which is advantageous for the function of the electrode layer.
Die Elektrodenschichtdicke ist dabei die geometrische Ausdehnung der Elektrodenlage in Normalenrichtung zu deren Oberfläche. Im verbauten Zustand steht dabei eine Seite der Oberfläche der bahnförmigen Elektrodenlage in Kontakt mit der Trägerschicht und die gegenüberliegende Seite der Oberfläche steht in Kontakt mit der Oberfläche eines daran angrenzenden Separators. Ausnahmen hiervon bilden nur außenliegende Elektrodenlagen, sofern diese an deren Außenseite nicht von einem Separator umschlossen sind. Die Elektrodenschichtdicke ist damit das Längenmaß, das den kürzesten Abstand von einer Oberfläche der Elektrodenlage zu deren gegenüberliegender Oberfläche angibt.The electrode layer thickness is the geometric extension of the electrode layer in the normal direction to its surface. In the installed state, one side of the surface of the web-shaped electrode layer is in contact with the carrier layer and the opposite side of the surface is in contact with the surface of a separator adjoining it. The only exceptions to this are external electrode layers, provided that they are not enclosed by a separator on their outside. The electrode layer thickness is thus the measure of length that indicates the shortest distance from one surface of the electrode layer to its opposite surface.
Unter „Kavitäten“ sind vorliegend Vertiefungen zu verstehen, die sich von der Oberfläche der Elektrodenlage ausgehend in diese hinein erstrecken. Die Strukturtiefe ist dabei die geometrische Länge gemessen von der Oberfläche bis zur tiefsten Stelle der Kavität. Aufgrund der Streuungen und Produktionsschwankungen, welche in der Praxis auftreten kann im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch von mittleren oder durchschnittlichen Strukturtiefen und Elektrodenschichtdicken gesprochen werden. In diesem Fall wäre dann das arithmetische Mittel der jeweiligen gemessenen Werte zu verwenden.In the present case, “cavities” are to be understood as indentations that extend from the surface of the Extending the electrode layer starting into this. The structure depth is the geometric length measured from the surface to the deepest point of the cavity. Because of the scatter and production fluctuations which occur in practice, one can also speak of mean or average structure depths and electrode layer thicknesses in connection with the present invention. In this case, the arithmetic mean of the respective measured values would have to be used.
Indem man die Oberfläche der Elektrodenlage mit einer Struktur versieht deren Kavitäten eine Strukturtiefe von mehr als 30 %, vorzugsweise von mehr als 50%, der Elektrodenschichtdicke aufweisen, kann die jeweilige Elektrodenlage wesentlich besser von dem in der Batteriezellen anwesenden Elektrolyten durchdrungen werden. Dies äußert sich darin, dass die für den Kontakt zwischen dem Elektrolyten und der Elektrodenlage effektiv zur Verfügung stehende Oberfläche und die Strömungswege durch die Kavitäten erheblich vergrößert werden. Durch die künstlich erzeugten porenfömigen Kavitäten wird die Zugänglichkeit für den Elektrolyten zum Inneren der Elektrodenlage verbessert. Diese Zugänglichkeit beruht auf einer nahe bei 1 liegenden Tortuosität gepaart mit einem entsprechenden Durchmesser. Im Vergleich zu den bereits vorhandenen relativ schmalen Spalten schafft die Erfindung zusätzliche relativ breite Kanäle für den Elektrolyten. Hierdurch kann der Elektrolyt mithilfe der vorgesehenen Struktur die Elektrodenlage besser durchsetzen. Sowohl die verbesserte Durchsetzung als auch die vergrößerte Oberfläche tragen dazu bei, dass die Speicherkapazität und/oder die C-Rate der so gestalteten Batteriezelle erheblich verbessert wird, ohne deren geometrische Abmessungen und Gewicht zu verschlechtern. Insbesondere kann die Speicherkapazität bei erhöhten C-Raten von >1C bereitgestellt werden, was beispielsweise die für die Schnellladung von Batteriezellen in Fahrzeugen benötigte Ladezeit verkürzen kann. Die C-Rate ist dabei beispielsweise der Quotient aus dem maximalen Ladestrom und der Kapazität der Batteriezelle bzw. Batterie. Je höher dieser Wert ist, desto kürzer ist die für die Ladung der Batterie erforderliche Zeitdauer.By providing the surface of the electrode layer with a structure, the cavities of which have a structure depth of more than 30%, preferably more than 50%, of the electrode layer thickness, the respective electrode layer can be penetrated much better by the electrolyte present in the battery cells. This is expressed in the fact that the surface effectively available for the contact between the electrolyte and the electrode layer and the flow paths through the cavities are considerably enlarged. The artificially created pore-shaped cavities improve the accessibility of the electrolyte to the interior of the electrode layer. This accessibility is based on a tortuosity close to 1 paired with a corresponding diameter. Compared to the already existing relatively narrow gaps, the invention creates additional, relatively wide channels for the electrolyte. As a result, the electrolyte can better penetrate the electrode layer with the aid of the structure provided. Both the improved penetration and the increased surface area contribute to the fact that the storage capacity and / or the C-rate of the battery cell designed in this way is considerably improved without impairing its geometric dimensions and weight. In particular, the storage capacity can be made available at increased C rates of> 1C, which, for example, can shorten the charging time required for rapid charging of battery cells in vehicles. The C-rate is, for example, the quotient of the maximum charging current and the capacity of the battery cell or battery. The higher this value, the shorter the time required to charge the battery.
Insbesondere kann vorgesehen werden, dass die Strukturtiefe zwischen 50% und 100% der Elektrodenschichtdicke beträgt. Hierbei hat sich gezeigt, dass die zuvor beschriebenen Effekte mit zunehmender Strukturtiefe noch verstärkt werden können. Besonders deutliche Effekte können erzielt werden, wenn die Strukturtiefe wenigstens die Hälfte der Elektrodenschichtdicke beträgt. Auf diese Weise lässt sich je nach Anwendung die Speicherkapazität und/oder die C-Rate der Batteriezelle signifikant erhöhen.In particular, it can be provided that the structure depth is between 50% and 100% of the electrode layer thickness. It has been shown here that the effects described above can be intensified with increasing structure depth. Particularly clear effects can be achieved if the structure depth is at least half the electrode layer thickness. In this way, depending on the application, the storage capacity and / or the C-rate of the battery cell can be increased significantly.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kavitäten der Struktur einen lateralen Abstand aufweisen, der im Bereich von 100 % bis 1000 % der Elektrodenschichtdicke beträgt. Die in dieser Weise seitlich voneinander beanstandeten Kavitäten erzielen eine deutliche Erhöhung der Speicherkapazität, ohne dabei das Volumen der nutzbaren Elektrodenlage in signifikanter Weise zu reduzieren. Das nutzbare Volumen der Elektrodenlage steht vielmehr nahezu unverändert zur Verfügung, gleichzeitig werden aber die genannten Vorteile der Erhöhung der Speicherkapazität und die Erhöhung der Energiedichte in der Batteriezellen erzielt.In particular, it can be provided that the cavities of the structure have a lateral spacing which is in the range from 100% to 1000% of the electrode layer thickness. The cavities that are laterally spaced apart in this way achieve a significant increase in the storage capacity without significantly reducing the volume of the usable electrode layer. Rather, the usable volume of the electrode layer is available almost unchanged, but at the same time the mentioned advantages of increasing the storage capacity and increasing the energy density in the battery cells are achieved.
Insbesondere können die Kavitäten als zylindrische Poren ausgebildet sein, womit besonders gute Ergebnisse erzielt werden. Denkbar sind aber auch längliche Vertiefungen, die ähnlich wie Furchen angeordnet sind und deren Breite in etwa dem Durchmesser der Pore in Längs- und/oder Seitenrichtung entspricht.In particular, the cavities can be designed as cylindrical pores, with which particularly good results are achieved. However, elongated depressions are also conceivable which are arranged in a manner similar to furrows and whose width corresponds approximately to the diameter of the pore in the longitudinal and / or lateral direction.
Ähnlich einer Linie mit gleichem Durchmesser, die im Falle von x und y Strukturierung durch die Knotenpunkte ein Schachbrettmuster ergibt.Similar to a line with the same diameter, which in the case of x and y structuring through the nodes results in a checkerboard pattern.
Ganz besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die Kavitäten in der Elektrodenlage mittels eines Elektrodenstrahls erzeugt werden. Aufgrund der nur äußerst geringen geometrischen Abmessungen kann eine solche Struktur beispielsweise mittels Laserstrahlung erzeugt werden. Hierdurch können bereits die zuvor genannten technischen Vorteile erzielt werden, indem die Kavitäten durch die kohärente Lichtstrahlung in der Elektrodenlage erzeugt werden. Als wirtschaftlich noch viel vorteilhafter hat sich jedoch die Einbringung der Kavitäten mittels eines Elektronenstrahls erwiesen. Die Erzeugung von Kavitäten mittels des Elektronenstrahls erlaubt eine wesentlich wirtschaftliche Prozessführung bei gleichzeitig erhöhten Fertigungsgeschwindigkeiten. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die für die Massenproduktion von Batteriezellen künftig gestellten Anforderungen von erheblicher Bedeutung.It is also very particularly advantageous if the cavities in the electrode layer are generated by means of an electrode beam. Because of the extremely small geometrical dimensions, such a structure can be produced, for example, by means of laser radiation. In this way, the aforementioned technical advantages can already be achieved in that the cavities are generated by the coherent light radiation in the electrode layer. However, the introduction of the cavities by means of an electron beam has proven to be even more advantageous from an economic point of view. The creation of cavities by means of the electron beam allows a significantly economical process control with increased production speeds at the same time. This is of considerable importance in particular with regard to the future requirements for the mass production of battery cells.
Insbesondere kann ferner vorgesehen werden, dass die Kavitäten einen Durchmesser bzw. eine Breite von weniger als 50µm (Mikrometer), vorzugsweise von weniger als 40µm und insbesondere von weniger als 10 µm aufweisen.In particular, provision can also be made for the cavities to have a diameter or a width of less than 50 μm (micrometers), preferably of less than 40 μm and in particular of less than 10 μm.
Bereits diese sehr kleinen Durchmesser der Kavitäten reichen aus, um die positiven Effekte auf die Speicherkapazität der Elektrodenlage und damit der Batteriezellen zu erzielen. Die gewählte Dimensionierung des Durchmessers ist dabei so gewählt, dass sie groß genug ist, um zu erreichen, dass der Elektrolyt einfacher in tiefere Regionen der Elektrodenschicht eindringen und diese durchsetzen kann. Dies ermöglicht eine einfachere Benetzung mit dem Elektrolyten auch bei höheren Schichtdicken der Elektrodenschicht, wodurch höhere Energiedichten bei gleichzeitiger Hochstromfähigkeit in der Batteriezelle möglich werden.Even the very small diameter of the cavities is sufficient to achieve the positive effects on the storage capacity of the electrode layer and thus the battery cells. The selected dimensioning of the diameter is chosen so that it is large enough to ensure that the electrolyte can more easily penetrate into deeper regions of the electrode layer and penetrate them. This allows for easier wetting with the electrolyte even if the electrode layer is thicker, which enables higher energy densities with simultaneous high current capability in the battery cell.
Insbesondere kann ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Batteriezelle ausgestattet sein, die mit Elektroden ausgestattet sind, deren Elektrodenlagen die zuvor beschriebenen strukturierten Oberflächen aufweisen. Ein solches Fahrzeug profitiert von der verbesserten Speicherkapazität und der damit der verbesserten Reichweite. Eine weitere Verbesserung wird auch durch die bessere Hochstromfähigkeit bei der Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe erreicht. Die höheren Ströme erlauben einerseits verkürzte Ladezeiten und andererseits die Bereitstellung von größeren Strömen bei der Energieabgabe.In particular, a motor vehicle can be equipped with at least one battery cell that is equipped with electrodes, the electrode layers of which have the structured surfaces described above. Such a vehicle benefits from the improved storage capacity and thus the improved range. A further improvement is also achieved through the better high-current capability in terms of power consumption or power output. The higher currents allow shortened charging times on the one hand and the provision of larger currents for energy output on the other.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenlage für eine Batteriezelle angegeben, welches die folgenden Schritte aufweist:
- a) Auftragen einer Elektrodenschicht auf eine Trägerschicht zur Herstellung einer Elektrodenlage;
- b) Bestrahlen der Elektrodenschicht der Elektrodenlage mit einem Elektronenstrahl zur Erzeugung von Kavitäten.
- a) applying an electrode layer to a carrier layer for producing an electrode layer;
- b) irradiating the electrode layer of the electrode layer with an electron beam to generate cavities.
Dieses Verfahren kann im Rahmen der Massenherstellung von Batteriezellen bzw. von Batterien kostengünstig umgesetzt werden. Insbesondere die Verwendung von Elektronenstrahlen zu Erzeugung der Kavitäten hat dabei den Vorteil, dass die Strukturierung der Oberfläche und damit auch der Beschichtung mit sehr geringen Takt- bzw. Durchlaufzeiten erfolgen kann. Die Fertigung kann dabei je nach Bedarf entweder in Takten oder in einem kontinuierlichen Durchlaufprozess erfolgen.This method can be implemented cost-effectively in the context of the mass production of battery cells or batteries. In particular, the use of electron beams to create the cavities has the advantage that the structuring of the surface and thus also of the coating can take place with very short cycle times or throughput times. Depending on requirements, production can either take place in cycles or in a continuous process.
Weiterhin vorteilhaft ist eine Weiterbildung des Verfahrens zur Herstellung einer Elektrodenfolie für eine Batteriezelle, wenn die Trägerschicht zur Erzeugung von Kavitäten mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird. Hierbei kann wahlweise nur die Trägerschicht allein oder in Kombination mit der Elektrodenschicht bestrahlt werden. Indem zusätzlich auch die Trägerschicht mit Kavitäten versehen wird, kann die Durchsetzung der Elektronenbahn durch den Elektrolyten nochmals verbessert werden. A further development of the method for producing an electrode film for a battery cell is also advantageous if the carrier layer is irradiated with an electron beam in order to produce cavities. In this case, only the carrier layer can be irradiated either alone or in combination with the electrode layer. By also providing the carrier layer with cavities, the penetration of the electron path through the electrolyte can be further improved.
So bewirken die Kavitäten eine Erhöhung der Durchsetzungsgeschwindigkeit (Soakinggeschwindigkeit) mit der der Elektrolyt die Beschichtung durchsetzt und eine verbesserte Elektrolytverteilung. Weiterhin sorgen die Kavitäten auch für eine bessere Haftung der Elektrodenschicht auf dem Substrat der Trägerschicht. Die Speicherkapazität und Energiedichte der Batteriezellen kann durch diese Maßnahme zusätzlich positiv beeinflusst werden, d. h. letztendlich vergrößert werden.The cavities thus cause an increase in the penetration speed (soaking speed) with which the electrolyte penetrates the coating and an improved electrolyte distribution. Furthermore, the cavities also ensure better adhesion of the electrode layer on the substrate of the carrier layer. The storage capacity and energy density of the battery cells can also be positively influenced by this measure, i.e. H. will ultimately be enlarged.
Zudem kann das Verfahren zur Herstellung der Elektrodenfolie vorteilhafter Weise so ausgeführt werden, dass das Strahlen der Elektrodenlagen mittels des Elektronenstrahls unter einem Vakuum oder unter einer reduzierten Atmosphäre erfolgt. Dass Bestrahlen unter Vakuum erfordert zwar einen etwas höheren Aufwand zu Erzeugung des Vakuums, hat jedoch den Vorteil, dass hierdurch eine mikrometergenaue Struktur mit beliebigen Mustern in der Oberflächen der Elektrodenlage darstellbar ist, da die abgestrahlten Elektronen im Vakuum nicht durch andere Massen, Moleküle oder Atome gestreut werden.In addition, the method for producing the electrode film can advantageously be carried out in such a way that the electrode layers are blasted by means of the electron beam under a vacuum or under a reduced atmosphere. The fact that irradiation under vacuum requires a little more effort to generate the vacuum, but has the advantage that a micrometer-accurate structure with any pattern can be represented in the surface of the electrode layer, since the emitted electrons in the vacuum are not caused by other masses, molecules or atoms be scattered.
Führt man das vorliegende Verfahren hingegen unter einer reduzierten Atmosphäre bzw. einer geringeren Atmosphäre, d. h. mit einem reduzierten Luftdruck durch, so ergibt sich eine stochastische Verteilung der Elektronenauftrefforte auf die Oberfläche der Elektrodenlage bzw. der Elektrodenschicht oder der Trägerschicht. Die Ausführung des Verfahrens unter einer geringeren Atmosphäre, d.h. unter einem geringeren atmosphärischen Druck, ist dann vorteilhaft, wenn beispielsweise eine stochastische Verteilung der Elektronenauftrefforte gewünscht und bereits ausreichend ist. In diesem Fall ist dann eine geringere Atmosphäre bereits ausreichend und für deren Erzeugung muss nur ein reduzierter Aufwand betrieben.If, on the other hand, the present method is carried out under a reduced atmosphere or a lower atmosphere, i. H. with a reduced air pressure, there is a stochastic distribution of the electron impact locations on the surface of the electrode layer or the electrode layer or the carrier layer. Carrying out the method under a lower atmosphere, i.e. under a lower atmospheric pressure, is advantageous if, for example, a stochastic distribution of the electron impact locations is desired and already sufficient. In this case, a lower atmosphere is sufficient and only a reduced effort is required to generate it.
Alternativ kann das Verfahren auch unter der Atmosphäre bei Umgebungsdruck ausgeführt werden. Hierbei tritt aufgrund der physikalischen Streueffekte jedoch eine höhere Streuung der Elektronenauftrefforte auf.Alternatively, the method can also be carried out under the atmosphere at ambient pressure. However, due to the physical scattering effects, there is a greater scattering of the electron impact locations.
Die Erläuterungen zur Batteriezelle können auch zur Charakterisierung des Verfahrens herangezogen werden. Insbesondere kann das hier vorgeschlagenen Verfahren dazu genutzt werden, die Struktur mit den Kavitäten zu erzeugen, so dass die Erläuterungen zu den Kavitäten bzw. der Struktur auch für den Fachmann Hilfestellungen sind, das Verfahren richtig einzustellen.The explanations on the battery cell can also be used to characterize the method. In particular, the method proposed here can be used to generate the structure with the cavities, so that the explanations relating to the cavities or the structure are also an aid for the person skilled in the art to set the method correctly.
Der Elektronenstrahl kann für die Erzeugung der Struktur an der Oberfläche der Elektrodenfolie bzw. -lage eingesetzt werden, wobei die dort erzeugten Kavitäten sich von der Oberfläche in die Tiefe erstrecken und dort die Durchsetzung mit Elektrolyt verbessern.The electron beam can be used to generate the structure on the surface of the electrode film or layer, the cavities generated there extending from the surface into the depth and improving the penetration of electrolyte there.
Die Strukturierung kann unter Vakuum, reduzierter Atmosphäre oder unter Atmosphäre erfolgen. Unter Vakuum kann eine sehr genaue Oberflächenstruktur mit beliebigen Struktur-Mustern erreicht werden. Unter Atmosphäre kann beispielsweise beeinflusst von der Auftreffwahrscheinlichkeit der Elektronen bzw. unter geringer/reduzierter Atmosphäre durch eine stochastische Verteilung der Elektronenauftrefforte die Oberfläche hinreichend strukturiert werden.The structuring can take place under vacuum, reduced atmosphere or under atmosphere. A very precise surface structure with any structure pattern can be achieved under vacuum. Under the atmosphere, for example, can be influenced by the probability of impact Electrons or, under a low / reduced atmosphere, the surface can be adequately structured through a stochastic distribution of the electron impact locations.
Die Tiefe der Struktur im Aktivmaterial kann maximal auf die Schichtdicke und minimal auf das 0,3-faches der Elektrodenschichtdicke eingestellt werden. Der Durchmesser der Struktur bzw. Kavitäten kann auf wenige Mikrometer eingestellt werden. Der laterale Abstand der Strukturen bzw. Kavitäten kann auf das 1- bis 5-fache, vorzugsweise auf das 1- bis 2-fache, der Elektrodenschichtdicke eingestellt werden. Sofern ein mehrschichtiger Aufbau der Elektrodenlage verwendet wird, kann die Strukturtiefe auf die dann vorliegende Gesamtschichtdicke der mehrschichtigen Elektrodenlage bezogen bestimmt werden.The depth of the structure in the active material can be set to a maximum of the layer thickness and a minimum of 0.3 times the electrode layer thickness. The diameter of the structure or cavities can be set to a few micrometers. The lateral spacing of the structures or cavities can be set to 1 to 5 times, preferably 1 to 2 times, the thickness of the electrode layer. If a multi-layer structure of the electrode layer is used, the structure depth can be determined in relation to the then present total layer thickness of the multi-layer electrode layer.
Die Bearbeitung der Elektrodenlagen-Oberfläche kann mit stationärem (bewegtes Substrat) oder instationärem Elektronenstrahl erfolgen.The processing of the electrode layer surface can be done with a stationary (moving substrate) or unsteady electron beam.
Die Struktur kann über die einzelne Elektrodenlage unterschiedlich ausgeführt werden, so dass die Dichte der Strukturen bzw. der Kavitäten über die Fläche variieren kann. The structure can be designed differently over the individual electrode layer, so that the density of the structures or the cavities can vary over the area.
Durch die hohe, mögliche Prozessgeschwindigkeit ist eine Strukturierung über die gesamte Breite der Elektrode beispielsweise dadurch ermöglicht, dass ein mäanderförmiges Abfahren der Oberfläche durchgeführt wird. Es ist (auch) möglich, die Elektrodenlage unter dem Elektronenstrahl hindurch zu bewegen.The high, possible process speed enables structuring over the entire width of the electrode, for example, in that a meander-shaped tracing of the surface is carried out. It is (also) possible to move the electrode layer under the electron beam.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.As a precaution, it should be noted that the numerals used here (“first”, “second”, ...) primarily (only) serve to distinguish between several similar objects, sizes or processes, so in particular no dependency and / or sequence of these objects, sizes or prescribe processes to each other. Should a dependency and / or sequence be required, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described embodiment.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
-
1 : eine seitliche Schnittansicht einer Elektrodenlage; -
2 : eine erste Methode zu Erzeugung von Kavitäten; -
3 : eine zweite Methode zu Erzeugung von Kavitäten; -
4 : eine dritte Methode zu Erzeugung von Kavitäten; und -
5 : ein Kraftfahrzeug mit Batteriezellen.
-
1 : a side sectional view of an electrode sheet; -
2 : a first method of creating cavities; -
3 : a second method of creating cavities; -
4th : a third method of creating cavities; and -
5 : a motor vehicle with battery cells.
In
In
In
Die
Schließlich zeigt
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- ElektrodenlageElectrode position
- 22
- erste Elektrodenschichtfirst electrode layer
- 33
- TrägerschichtCarrier layer
- 44th
- zweite Elektrodenschichtsecond electrode layer
- 55
- Pfeilarrow
- 66th
- ElektronenquelleElectron source
- 77th
- Elektronelectron
- 88th
- Kavitätcavity
- 99
- Oberflächesurface
- 1010
- StrukturtiefeStructure depth
- 1111
- laterale Abstandlateral distance
- 1212th
- ElektrodenschichtdickeElectrode layer thickness
- 1313th
- Durchmesserdiameter
- 1414th
- FertigungsvorrichtungManufacturing device
- 1515th
- Pfeilarrow
- 1616
- Randedge
- 1717th
- ElektronenbandElectron band
- 1818th
- KraftfahrzeugMotor vehicle
- 1919th
- Batteriebattery
- 2020th
- BatteriezellenBattery cells
- 2121
- UmhüllungWrapping
- 2222nd
- Steuerungsteering
- 2323
- ElektromotorElectric motor
Claims (9)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020101112.1A DE102020101112A1 (en) | 2020-01-17 | 2020-01-17 | Battery cells with surface-structured active material and process for their production |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102020101112A1 true DE102020101112A1 (en) | 2021-07-22 |
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012215921A1 (en) | 2012-09-07 | 2014-03-13 | Robert Bosch Gmbh | Battery e.g. lithium ion battery has porous layered electrode which is provided with several recesses at opposite side of electrode metal sheet |
DE102012112186A1 (en) | 2012-12-12 | 2014-06-26 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Composite material, process for its production, system made therefrom and use thereof |
US20140370377A1 (en) | 2013-06-14 | 2014-12-18 | Ford Global Technologies, Llc | Treated Current Collector Foil |
DE102018107519A1 (en) | 2017-03-31 | 2018-10-04 | GM Global Technology Operations LLC | Process for producing structured, thick silicon-containing electrodes |
-
2020
- 2020-01-17 DE DE102020101112.1A patent/DE102020101112A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (4)
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---|---|---|---|
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