-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung einer Trägerfolie für eine Elektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators, eine Vorrichtung zur Aufbereitung einer solchen Trägerfolie sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkumulators.
-
Zellen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren beinhalten eine Anode und eine Kathode, die durch einen Separator getrennt sind. Die Elektroden weisen dabei elektrisch leitende Trägerfolien auf, auf denen Aktivmaterialien aufgebracht sind. Als Trägerfolie, beispielsweise für die Kathode, wird eine Metallfolie wie zum Beispiel eine Aluminiumfolie verwendet. Die Aluminiumfolie wird in einem Folienwalzwerk gefertigt und für die Weiterverarbeitung im Fertigungsbetrieb für die Lithium-Ionen-Zelle vorbereitet.
-
Zwischen der Fertigung der Folie und der Verarbeitung im Fertigungsbetrieb vergehen mitunter Tage oder Wochen. Sowohl während der Lagerung und des Transports als auch während der Verarbeitungsschritte ist die Aluminiumfolie Luft ausgesetzt, was dazu führt, dass sich auf den Oberflächen der Aluminiumfolie eine native Oxidschicht aus Aluminiumoxid mit einer Dicke im Mikrometermaßstab ausbildet. Diese native Oxidschicht ist zum einen problematisch, weil sie als guter elektrischer Isolator die elektrische Kontaktierung der Aktivmaterialien verschlechtert und zum anderen auch, weil sie die mechanische Anhaftung des Aktivmaterials auf der Trägerfolie verschlechtert. Entsprechendes gilt auch für andere Trägerfolien, beispielsweise Kupferfolien, auf denen sich beispielsweise Kupfersulfid bilden kann.
-
Sowohl der verschlechterte elektrische Kontakt als auch die verschlechterte mechanische Haftung führen zu einem erhöhten Übergangswiderstand, welcher den elektrischen Ladungsaustausch zwischen Aktivmaterial und Trägerfolie erschwert. Dadurch wird die Impedanz ebenso wie der ohmsche Widerstand der Zelle erhöht, was wiederum dazu führt, dass bei anliegender elektrischer Last eine thermische Last in der Zelle induziert wird. Insgesamt wird also die Leistungsfähigkeit der Zelle verringert.
-
Um dies zu verhindern, können die Trägerfolien beispielsweise mit einem Grundierungs- oder Vorbehandlungsmittel, das auch als Primer bezeichnet wird, vorbehandelt werden, das nach dem Fertigungsprozess im Walzwerk auf die Folie aufgetragen wird, um die Oxidbildung zu verhindern. Dieses Verfahren ist jedoch mit sehr hohen Kosten verbunden.
-
Alternativ kann eine Lauge in einem nasschemischen Verfahren verwendet werden, um die Oxidschicht von der Trägerfolie zu entfernen. Problematisch ist hierbei jedoch, dass die anschließend aufzutragenden Aktivmaterialien sehr empfindlich auf die Exposition mit Wasser reagieren, sodass nach dem nasschemischen Schritt eine sehr aufwendige Trocknung der Oberflächen erforderlich ist. Dies führt zu einem erhöhten Zeit- und Energieverbrauch und damit ebenfalls zu erhöhten Kosten sowie zu einer komplexen Prozessführung.
-
Dokument
CN 109225982 A beschreibt ein Reinigungsgerät für Aluminiumfolien für Lithiumbatterien. Das Gerät beinhaltet einen Tisch mit einer rotierenden Trommel und Rollen, welche die Aluminiumfolie bewegen können. Die Trommel ist mit sich kreuzenden Streben ausgestattet, die sich mit der Trommel bewegen. An den Enden einer Strebe sind Beschichtungsrollen angebracht und an den Enden einer zweiten Strebe sind Reinigungsrollen angeordnet. Im Betrieb beschichten die Beschichtungsrollen die Oberfläche der Aluminiumfolie mit einer Reinigungsflüssigkeit und die Reinigungsrollen dienen dazu, die Reinigungsflüssigkeit von der Ober-fläche der Aluminiumfolie zu entfernen. Dazu ist die Oberfläche der Reinigungsroller mit einem absorbierenden Textil ausgestattet.
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zur Aufbereitung einer Trägerfolie für eine Elektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators anzugeben, das eine höhere Leistungsfähigkeit der resultierenden Lithium-Ionen-Akkumulatoren ermöglicht und dabei den Kostenaufwand und die Fertigungsprozesskomplexität gering hält.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, ein Reinigungselement mechanisch anzutreiben, um es in eine Rotationsbewegung zu versetzen und die Trägerfolie mit dem rotierenden Reinigungselement mechanisch zu reinigen.
-
Gemäß dem verbesserten Konzept wird ein Verfahren zur Aufbereitung einer Trägerfolie für eine Elektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators angegeben. Dabei wird ein Reinigungselement mittels eines Antriebs, insbesondere eines mechanischen Antriebs, in eine Rotationsbewegung versetzt und die Trägerfolie wird mit dem rotierenden Reinigungselement in mechanischen Kontakt gebracht, um eine Oberfläche der Trägerfolie mechanisch zu reinigen.
-
Die Trägerfolie kann dabei insbesondere als Folienband oder Teil des Folienbandes vorliegen.
-
Der Antrieb beinhaltet insbesondere einen Motor zum Erzeugen der Rotationsbewegung des Reinigungselements. Beispielsweise kann das Reinigungselement mit dem Motor direkt oder über ein Getriebe gekoppelt sein, um ein Abtriebsdrehmoment des Motors in die Rotationsbewegung zu überführen.
-
Das Reinigungselement wird mittels des Antriebs automatisch in die Rotationsbewegung versetzt, ohne dass eine manuelle Bedienung des Reinigungselements erforderlich ist. Dadurch wird eine industrielle Anwendung des Verfahrens ermöglicht.
-
Das mechanische Reinigen der Oberfläche der Trägerfolie beinhaltet insbesondere das Entfernen oder Lösen unerwünschter Stoffe auf der Oberfläche der Trägerfolie.
-
Die Oberfläche der Trägerfolie wird durch den Kontakt mit dem rotierenden Reinigungselement trocken gereinigt, insbesondere ausschließlich trocken gereinigt.
-
Insbesondere beinhaltet das Verfahren zur Aufbereitung der Trägerfolie nach dem verbesserten Konzept keine Behandlung der Trägerfolie mit einer Flüssigkeit, beispielsweise einem Primer oder einer Lauge.
-
Durch das Verfahren nach dem verbesserten Konzept wird eine effektive mechanische Reinigung der Oberfläche der Trägerfolie ermöglicht. Durch die entsprechende Aufbereitung der Trägerfolie nach dem verbesserten Konzept resultieren ein verbesserter elektrischer Kontakt der Trägerfolie mit Aktivmaterialien der Elektrode sowie eine verbesserte mechanische Haftung der Aktivmaterialien an der Trägerfolie.
-
Nach dem verbesserten Konzept ist dies insbesondere ohne Grundierungsmittel wie Primer und ohne nasschemische Verfahrensschritte mit einer entsprechenden aufwendigen Trocknung möglich.
-
Das verbesserte Konzept bietet daher eine kostengünstige und wenig komplexe Möglichkeit, die Übergangswiderstände in Lithium-Ionen-Akkumulatoren zu reduzieren und damit deren gesamte Leistungsfähigkeit zu verbessern.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält die Trägerfolie ein Metall, ist also als Metallfolie ausgestaltet.
-
Die Metallfolie kann beispielsweise als Aluminiumfolie oder als Kupferfolie ausgestaltet sein.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält das Reinigungselement einen Trägerkörper oder Grundkörper sowie an dem Träger- oder Grundkörper befestigte Reinigungskörper oder in den Träger- oder Grundkörper eingebettete oder eingelassene Reinigungskörper.
-
Das Reinigungselement kann beispielsweise als Bürste, als Walze mit Putzkörpern, beispielsweise Putztellern, oder als sonstiger Träger mit abrasiven Materialien ausgestaltet sein.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Trägerfolie relativ zu dem Reinigungselement auch translatorisch bewegt, insbesondere entlang einer Translationsrichtung.
-
Beispielsweise wird die Folie als Teil des Folienbandes an dem Reinigungselement oder unter dem Reinigungselement vorbeigezogen.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Trägerfolie als Aluminiumfolie ausgestaltet und eine Aluminiumoxidschicht, insbesondere eine native Aluminiumoxidschicht, auf der Oberfläche der Trägerfolie wird durch die mechanische Reinigung wenigstens teilweise entfernt.
-
Die native Aluminiumoxidschicht kann beispielsweise im Wesentlichen durchgehend auf der Oberfläche der Trägerfolie vorliegen und beispielsweise eine Dicke von weniger als 20 nm, beispielsweise 10 nm oder weniger, betragen.
-
Durch den mechanischen Kontakt des Reinigungselements mit der Oberfläche wird die Aluminiumoxidschicht einem entsprechenden mechanischen Stress ausgesetzt, der ausreicht, um die Aluminiumoxidschicht wenigstens aufzubrechen. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass die Aluminiumoxidschicht durch das Reinigungselement im engeren Sinne geschliffen wird. Insbesondere können die Reinigungskörper auch eine geringere Härte als Aluminiumoxid aufweisen.
-
Dies wird begünstigt durch die Tatsache, dass das metallische Aluminium der Trägerfolie relativ weich ist, insbesondere im Vergleich zu der Aluminiumoxidschicht. Durch den mechanischen Stress kann es also zu Verschiebungen von Teilen der Aluminiumoxidschicht gegenüber dem darunter liegenden Aluminium kommen, sodass die Aluminiumoxidschicht aufgebrochen werden kann.
-
Entsprechend können als Reinigungselemente beziehungsweise Reinigungskörper metallische, keramische oder Kunststoffkörper verwendet werden.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Oberfläche der Trägerfolie durch die mechanische Reinigung aufgeraut.
-
Durch die Aufrauhung wird die Haftung des nachträglich aufgebrachten Aktivmaterials verbessert.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die mittels des Reinigungselements gereinigte Oberfläche der Trägerfolie mit einem weiteren Reinigungselement behandelt, um Reinigungsrückstände von der Oberfläche der Trägerfolie zu entfernen.
-
Die Reinigungsrückstände können dabei abrasive Materialien des Reinigungselements oder der Reinigungskörper beinhalten und/oder von der Trägerfolie entferntes Material, beispielsweise Aluminiumoxid und/oder Material der Trägerfolie selbst, beispielsweise Aluminium.
-
Das weitere Reinigungselement kann beispielsweise eine Walze beinhalten, über die die gereinigte Trägerfolie beziehungsweise die gereinigte Oberfläche der Trägerfolie geführt wird, um die Reinigungsrückstände zu entfernen.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das weitere Reinigungselement mit der durch das Reinigungselement gereinigten Trägerfolie mechanisch in Kontakt gebracht, um wenigstens einen Teil der Reinigungsrückstände mechanisch von der Oberfläche der Trägerfolie zu entfernen.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das weitere Reinigungselement elektrostatisch aufgeladen, um wenigstens einen weiteren Teil der Reinigungsrückstände von der Oberfläche der Trägerfolie zu entfernen.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Reinigungsrückstände von der mittels des Reinigungselements gereinigten Oberfläche der Trägerfolie abgesaugt, beispielsweise mittels einer Absaugvorrichtung.
-
Das Absaugen der Reinigungsrückstände kann auch mit dem weiteren Reinigungselement kombiniert werden.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Reinigungsrückstände mittels eines Gebläses von der mittels des Reinigungselements gereinigten Oberfläche entfernt.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die mittels des Reinigungselements und gegebenenfalls des weiteren Reinigungselements gereinigte Oberfläche der Trägerfolie mit dem Aktivmaterial beschichtet.
-
Das Aktivmaterial kann beispielsweise Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid, NCA, oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid, NMC, beinhalten.
-
Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkumulators angegeben. Dazu wird eine Trägerfolie für eine Elektrode des Lithium-Ionen-Akkumulators bereitgestellt und die Trägerfolie wird gemäß einem Verfahren zur Aufbereitung der Trägerfolie nach dem verbesserten Konzept aufbereitet.
-
Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch eine Vorrichtung zur Aufbereitung einer Trägerfolie für eine Elektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators angegeben. Die Vorrichtung weist ein Reinigungselement auf sowie einen Antrieb, der dazu eingerichtet ist, das Reinigungselement in eine Rotationsbewegung zu versetzen. Die Vorrichtung weist eine Folientransportvorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, die Trägerfolie mit dem rotierenden Reinigungselement in mechanischen Kontakt zu bringen, um eine Oberfläche der Trägerfolie mechanisch trocken zu reinigen.
-
Insbesondere ist die Folientransportvorrichtung dazu eingerichtet, die Folie an dem Reinigungselement oder unter dem Reinigungselement vorbeizuziehen.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält das Reinigungselement eine Bürste.
-
Die Bürste enthält dabei einen Grundkörper und einen Bürstenbesatz, der insbesondere metallische, keramische oder Kunststofffasern aufweist. Der Bürstenbesatz ist mechanisch an dem Grundkörper befestigt.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält der Bürstenbesatz Polymerfasern und beispielsweise in die Polymerfasern eingebettete abrasive Elemente, beispielsweise einen Polierstaub oder ein Schleifmittel, beispielsweise ein keramisches Schleifmittel.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält der Bürstenbesatz Kohlenstofffasern, keramische Fasern, Glasfasern, glasartige Fasern, Fasern aus Aluminiumoxid, Fasern aus Zirkonoxid und/oder Fasern aus Siliziumdioxid.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält der Bürstenbesatz Metallfäden oder Metallfilamente, beispielsweise Stahlfäden oder -filamente.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält der Bürstenbesatz Kunststofffasern, insbesondere Polyamidfasern und/oder Polyolefinfasern, beispielsweise Polyethylenfasern oder Polypropylenfasern, und/oder Aramidfasern, beispielsweise PPTA-Fasern.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält das Reinigungselement einen Grundkörper sowie wenigstens einen Reinigungskörper, der an dem Grundkörper befestigt ist. Der Reinigungskörper enthält ein abrasives Material, um die Oberfläche der Trägerfolie mechanisch zu reinigen.
-
Durch die Rotationsbewegung des Reinigungselements wird auch der wenigstens eine Reinigungskörper in Rotationsbewegung versetzt und wird mit der Oberfläche der Trägerfolie in Kontakt gebracht, um die Oberfläche zu reinigen.
-
Das abrasive Material kann dabei Fasern oder Fäden wie bezüglich des Bürstenbesatzes beschrieben beinhalten. Das abrasive Material kann auch einen Polierstaub oder ein Schleifmittel, beispielsweise Kalziumkarbonat, beinhalten.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält der Reinigungskörper ein Trägermaterial und das abrasive Material ist in dem Trägermaterial eingelagert.
-
Das abrasive Material beinhaltet insbesondere Partikel, die im Volumen des Trägermaterials eingebettet, also von dem Trägermaterial umgeben sind.
-
Das Trägermaterial kann dabei formstabil oder elastisch sein.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält das Trägermaterial eine Polymermatrix.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Grundkörper als Walze ausgestaltet.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Reinigungskörper in die Walze eingebettet.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält die Vorrichtung ein weiteres Reinigungselement, das dazu ausgestaltet und derart angeordnet ist, die gereinigte Oberfläche der Trägerfolie zu behandeln, um Reinigungsrückstände von der Oberfläche der Trägerfolie zu entfernen.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Absaugvorrichtung auf, die dazu ausgestaltet und derart angeordnet ist, die Reinigungsrückstände von der Oberfläche der Trägerfolie zu entfernen.
-
Weitere Ausführungsformen der Vorrichtung nach dem verbesserten Konzept folgen direkt aus den verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens nach dem verbesserten Konzept und umgekehrt. Insbesondere kann die Vorrichtung nach dem verbesserten Konzept ein Verfahren nach dem verbesserten Konzept durchführen oder führt ein solches Verfahren durch.
-
In den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung nach dem verbesserten Konzept; und
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung nach dem verbesserten Konzept.
-
In 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Aufbereitung einer Trägerfolie 2 für eine Elektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators dargestellt.
-
Die Vorrichtung 1 weist eines oder mehrere Vortriebsmittel 6a, 6b, 6c, 6d, 6e auf, sowie eine Steuereinheit 5 zur Steuerung der Vortriebsmittel 6a bis 6e. Die Vortriebsmittel 6a bis 6e können beispielsweise Walzen oder Rollen beziehungsweise Walzenpaare oder Rollenpaare aufweisen, mittels denen die Trägerfolie 2 in Translationsrichtung (angedeutet durch einen Pfeil nach rechts) bewegt werden kann. Die Vorrichtung 1 kann beispielsweise auch zum Walzen der Trägerfolie 2 verwendet werden.
-
Die Vorrichtung 1 weist ein Reinigungselement 3 auf, das im Beispiel der 1 als Bürste ausgestaltet ist. Außerdem weist die Vorrichtung 1 einen Antrieb 4 mit einem Motor auf, um die Bürste in Rotationsbewegung zu versetzen. Anhand der Vortriebsmittel 6a bis 6e wird die Trägerfolie 2 in mechanischen Kontakt mit der rotierenden Bürste gebracht, insbesondere mit einem Bürstenbesatz der Bürste. Dadurch wird die dem Reinigungselement 3 zugewandte Oberfläche der Trägerfolie 2 mechanisch gereinigt.
-
Insbesondere wenn es sich bei der Trägerfolie 2 um eine Aluminiumfolie handelt, kann das Reinigen das wenigstens teilweise Entfernen einer nativen Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche der Trägerfolie 2 beinhalten und/oder das Aufrauen der Oberfläche.
-
Dadurch kann die Trägerfolie 2 vor der Verarbeitung im Zellwerk zur Fertigung des Lithium-Ionen-Akkumulators von der nativen Oxidschicht befreit werden und gleichzeitig mit einer raueren Oberflächenstruktur versehen werden, um die Haftung nachträglich aufgebrachter Aktivmaterialien mit der Trägerfolie 2 zu verbessern. Außerdem wird die elektrische Kontaktierung zwischen Aktivmaterial und Trägerfolie 2 verbessert.
-
Der Bürstenbesatz der Bürste ist insbesondere mit Borsten ausgestattet, die hart genug sind, um die native Aluminiumoxidschicht wenigstens teilweise zu durchbrechen und damit mechanisch von der Oberfläche abzutragen.
-
Die Bürste kann beispielsweise einer Umlenkrolle 6d der Vortriebsmittel gegenüberliegend angeordnet sein. Dadurch kann eine Beschädigung der Trägerfolie 2 durch den mechanischen Kontakt mit der Bürste vermieden werden.
-
Optional kann die Vorrichtung 1 eine Absaugvorrichtung 7 oder ein Gebläse aufweisen, die Reinigungsrückstände von der Oberfläche der Trägerfolie 2 nach der Reinigung durch das Reinigungselement 3 entfernen kann.
-
Die Reinigungsrückstände können dabei insbesondere durch die Reinigung mit dem Reinigungselement 3 entstehende Stäube aus Aluminium oder Aluminiumoxid beinhalten, aber auch Abrieb des Reinigungselements 3 selbst.
-
Alternativ oder zusätzlich zu der Absaugvorrichtung 7 oder dem Gebläse kann eine dem Reinigungselement 3 nachgeschaltete Putzwalze vorgesehen sein, welche die Reinigungsrückstände mechanisch und/oder elektrostatisch aufnimmt und selbst beispielsweise durch eine weitere Gebläsevorrichtung gereinigt werden kann.
-
Auch sonstige Staub-Extraktionsvorrichtungen zum Entfernen der Reinigungsrückstände sind denkbar.
-
In 2 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung 1 nach dem verbesserten Konzept dargestellt.
-
Anstelle der Bürste enthält das Reinigungselement 3 gemäß 2 einen Grundkörper 3a, der als der Umlenkrolle 6d gegenüberliegende Walze ausgestaltet ist und von dem Antrieb 4 in Rotationsbewegung versetzt wird, sodass die zylindrische Außenoberfläche der Walze 3a auf der Trägerfolie 2 abläuft.
-
Auf der zylinderförmigen Außenfläche des Grundkörpers 3a sind Putzkörper 3b angeordnet, die beispielsweise eine Polymermatrix mit eingebetteten abrasiven Materialien beinhaltet. Durch das Abrollen der Walze 3a auf der Trägerfolie 2 wird die Oberfläche der Trägerfolie 2 mechanisch gereinigt.
-
Dabei kann die Rotation des Grundkörpers 3 beispielsweise mit einer höheren Rotationsgeschwindigkeit erfolgen als die Rotation der Umlenkrolle 6d.
-
Darüber hinaus entspricht die Vorrichtung 1 der 2 derjenigen der 1.
-
Wie beschrieben, ermöglicht das verbesserte Konzept eine kostengünstige und wenig komplexe mechanische Reinigung zur Aufbereitung einer Trägerfolie für eine Elektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Dadurch können Übergangswiderstände verringert und letztendlich die Leistungsfähigkeit der Lithium-Ionen-Akkumulatoren verbessert werden.
-
BEZUGSZEICHENLISTE:
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Trägerfolie
- 3
- Reinigungselement
- 3a
- Grundkörper
- 3b
- Reinigungskörper
- 4
- Antrieb
- 5
- Steuereinheit
- 6a, 6b, 6c, 6d, 6e
- Vortriebsmittel
- 7
- Absaugvorrichtung
