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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Energiespeicherzelle, insbesondere für eine Lithiumionenbatterie bzw. einen Lithiumionenakku, eine Elektrode, einen Elektrodenstapel, einen Energiespeicher sowie eine Traktionsbatterie.
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Bei den in Rede stehenden Elektroden handelt es sich insbesondere um Einzelblatt-Elektroden, wie sie in Elektrodenstapeln verwendet werden. Die Elektroden werden durch beschichtete Folien gebildet. Nach dem Beschichten und Trocknen wird die Elektrode, insbesondere zum Einstellen einer Porosität, verdichtet, beispielsweise durch einen Kalander-Prozess, auf Ziel-Breite geschnitten (beispielsweise mit einer Rollenschere) und dann nach Durchführung eines Konturschnitts in Einzelblätter vereinzelt und optional gestapelt. Beim Kalandrieren besteht oftmals das Problem, dass es zu unerwünschten Verformungen in allen Bereichen der Folien kommt. Insbesondere in den unbeschichteten Bereichen der Trägerfolie entstehen durch die Krafteinleitung z. B. Falten, welche zu Qualitätseinbußen führen und unter anderem auch eine Weiterverarbeitung der Folien erschweren. So können sich durch die Vorschädigung in nachgelagerten Prozessschritten, beispielsweise beim Zuschneiden der Folien, Risse, Wellen und dergleichen bilden. Auch das Folien-Schneiden mittels Laser ist ggf. erschwert, da nicht richtig fokussiert werden kann. Um diesen Problemen zu begegnen, schlägt die
EP 2 296 209 A1 eine Erwärmung der nichtbeschichteten Bereiche der Trägerfolie vor. Die
DE 10 2017 215 143 A1 verwendet eine Metallfolie, die, wenn sie in einer Bahnebene als Bahn ausgebreitet ist, eine in der Bahnebene liegende Krümmung aufweist. Durch eine entsprechende Druckaufbringung beim Kalandrieren wird diese Krümmung wieder entfernt, wobei der vorgenannte unerwünschte Verformungseffekt beim Endmaterial nicht vorhanden sein soll. Die bekannten Ansätze stellen sich allerdings als fertigungstechnisch sehr aufwendig und kostenintensiv dar.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, eine Elektrode, einen Elektrodenstapel, einen Energiespeicher sowie eine Traktionsbatterie anzugeben, welche die vorgenannten Probleme nicht aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch eine Elektrode gemäß Anspruch 11, durch einen Elektrodenstapel gemäß Anspruch 12, durch einen Energiespeicher gemäß Anspruch 14 sowie durch eine Traktionsbatterie gemäß Anspruch 15 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, insbesondere einer Komposit-Elektrode, insbesondere für eine Energiespeicherzelle, wie beispielsweise eine Lithiumionenzelle, die Schritte:
- - Beschichten eines Trägermaterials zum Herstellen oder Erzeugen einer Elektrode, insbesondere mit Beschichtungsmasse;
- - Bearbeiten des Trägermaterials zum Erzeugen zumindest eines Einzelblatts;
- - Einstellen der Porosität der Elektrode am Einzelblatt.
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Mit Vorteil wird also die klassische Prozesskette modifiziert, wonach zunächst das Trägermaterial beschichtet und im Anschluss dessen Verdichtung zum Einstellen der Porosität folgt. Das Trägermaterial wird insbesondere mit Beschichtungsmasse beschichtet, ein- oder beidseitig. Die Beschichtungsmasse umfasst gemäß einer Ausführungsform Aktivmaterial, Elektrodenbinder, Leitruß (optional Leitgraphit) und Trägerlösungsmittel. Ein Verdichten bzw. ein Einstellen der Porosität der Elektrode findet aber erst statt, nachdem das Trägermaterial (z. B. in Form einer Metallfolie) zugeschnitten wurde, entsprechend dem Footprint der Zelle. Bei dem Trägermaterial handelt es sich insbesondere um eine Trägerfolie. Abhängig davon, ob es sich bei der Elektrode um eine Elektrode für die Anode oder die Kathode handelt, ist das Material der Trägerfolie entsprechend gewählt. Im Falle der Anode ist die Trägerfolie typischerweise eine Kupferfolie, im Falle der Kathode ist die Trägerfolie typischerweise eine Aluminiumfolie. Bevorzugte Foliendicken schwanken dabei, je nach Zelldesign, beispielsweise zwischen 6 µm und 25 µm. Bevorzugt ist die Aluminiumfolie gewalzt. Bevorzugt ist die Kupferfolie gewalzt oder elektrolytisch hergestellt. Die Trägerfolien sind nicht limitiert, sondern können auch gestanzte Folien oder Streckmetalle in jeder beliebigen Geometrie sein. Das Trägermaterial bzw. die Trägerfolie wird ein oder zweiseitig beschichtet. Dies erfolgt beispielsweise mit geeigneten Auftragswerkzeugen, wie Schlitzdüsen, Rakel, Rasterwalzen etc. Alternativ kann es sich bei dem Trägermaterial auch um eine Kunststofffolie handeln, welche in geeigneter Weise, beispielsweise mit einem Metall, beschichtet ist. Durch das Einstellen der Porosität der Elektrode am Einzelblatt entfallen die vorgenannten Nachteile bzw. Probleme, wie die angesprochene Rissbildung, der Faltenwurf etc.
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Bevorzugt ist die Elektrode als Kathode oder Anode für einen Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet. Der vorgenannte Zelltyp stellt aber keine Beschränkung dar. Auch alternative Anwendungen, beispielsweise für Lithium-Schwefel-Zellen sind bevorzugt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Bearbeiten durch Aus- oder Zuschneiden mittels eines thermischen oder mechanischen Schneidverfahrens.
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Bevorzugte mechanische Schneidverfahren sind unter anderem das Scherschneiden, Stanzen, Partikelschneiden oder Wasserstrahlschneiden. Ein bevorzugtes thermisches Schneidverfahren ist beispielsweise das Laserschneiden. Das Aus- oder Zuschneiden erfolgt gemäß einer Ausführungsform endkonturnah. Alternativ kann bereits in diesem Schritt, insbesondre exakt, die gewünschte Endkontur erzeugt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Trägermaterial bahnförmig ausgebildet oder liegt bahnförmig vor. Das Trägermaterial wird gemäß einer Ausführungsform streifenförmig und kontinuierlich oder intermittierend beschichtet. Entlang einer Bahnrichtung des Trägermaterials kann auch eine Vielzahl von beschichteten Streifen ausgebildet werden. Im Falle einer intermittierenden Beschichtung entspricht eine Größe der beschichteten Fläche bevorzugt exakt oder im Wesentlichen der Größe des Einzelblatts.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Bearbeiten der Trägermaterials entlang der beschichteten Bereiche.
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Mit Vorteil erfolgt bei dieser Ausführungsform kein Schnitt durch die Beschichtung bzw. Beschichtungsmasse, wodurch sehr saubere Schnittkanten erzeugt werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Formen eines Ableiterbereichs beim Bearbeiten des Trägermaterials.
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Zweckmäßigerweise wird das Einzelblatt zusammen mit dem Ableiterbereich ausgeformt. Mit Vorteil kann dieser Schritt derart ausgeführt werden, dass der Ableiterbereich keine Beschichtung aufweist. Alternativ kann eine ggf. vorhandene Beschichtung auch nachträglich entfernt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Ausformen eines Ableiterbereichs nach dem Einstellen der Porosität.
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Das Einzelblatt wird bei dieser Ausführungsform beispielsweise derart zugeschnitten, dass randseitig ein oder zwei unbeschichtete Bereiche, insbesondere Streifen, frei bleiben. Dies kann in Bezug auf das Handling des Einzelblatts vorteilhaft sein, da diese Bereiche, bis auf den Ableiterbereich, später entfernt werden. So ist es leicht möglich, dass hier eine maschinelle Einrichtung, wie beispielsweise ein Roboter oder dergleichen, mit einem Greifer ansetzt etc. Dabei sind die unbeschichteten Bereiche vorteilhafterweise derart schmal ausgebildet, dass beim späteren Einstellen der Porosität, beispielsweise mittels Kalandrieren, keine Probleme auftreten.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Einstellen der Porosität durch Verpressen und/oder Walzen.
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Beim Verpressen wird der Druck senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht bzw. in Normalenrichtung auf das Einzelblatt, ein- oder beidseitig, aufgebracht. Hierzu können entsprechende Pressen oder Pressenstempel verwendet werden. Mit Vorteil kann damit eine sehr schonende Bearbeitung erreicht werden. Das Walzen erfolgt gemäß einer Ausführungsform in einem Kalander.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Walzen entlang verschiedener Walzrichtungen.
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Das Walzen kann beispielsweise in einem Kalander erfolgen. Da es sich um keinen klassischen Roll-to-Roll-Prozess handelt, erfolgt keine mechanische Beanspruchung durch Zugkräfte auf die Elektrode bzw. das Einzelblatt. Dadurch ist die Gefahr des Reißens des Einzelblatts bzw. der unbeschichteten Bereiche quasi beseitigt. Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest eine Kalanderwalze beheizt, um die Verdichtung zur erleichtern.
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Besonders vorteilhaft kann dadurch eine höhere Verpressung der Elektrode und damit das Erzielen einer höheren Elektrodendichte erreicht werden. In der Folge können mit derartigen Elektroden höhere Leistungen und höhere Energiedichten erzielt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es vorliegend auch möglich, entlang verschiedener Walzrichtungen zu walzen bzw. unterschiedliche Verdichtungsverfahren zu kombinieren, beispielsweise zuerst ein Verdichten mit einem Stempelwerkzeug und im Anschluss ein Verdichten mittels Walzen in einem Kalander. Dabei können die vorgenannten Walzrichtungen beispielsweise senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen, um etwaige Verformungen auszugleichen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Verlagern oder Transportieren der Einzelblätter mittels Sauggreifer.
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Für die Ab- und Zuführung der unbeschichteten und beschichteten Einzelblätter, welche beispielsweise in Magazinen zwischengelagert werden können, können Sauggreifer dienen, die auch mit Robotik automatisiert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Verlagern oder Transportieren der Einzelblätter mittels Transportfolien.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die Einzelblätter auf einer Polyesterfolie geführt und positioniert, gemäß einer Ausführungsform auch, besonderes geschützt, insbesondere mechanisch und thermisch, zwischen zwei Polyesterfolien.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Beschichten des Einzelblatts mit einem Verfahren, ausgewählt aus einem der Folgenden: Laminieren, Kleben, Kaschieren, Extrudieren, Trockenbeschichten, Nassbeschichten, direktes Nassbeschichten etc.
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Nach dem Beschichten erfolgt in der Regel ein Trocknungsvorgang. Hierbei wird bei einer Nassbeschichtung das sogenannte Träger-Lösungsmittel (z. B. Wasser) abgezogen. In aller Regel schließt sich nach eine Vakuum-Trocknung an, bei der die Restfeuchte in der Elektrode reduziert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Nachschneiden des Einzelblatts nach dem Einstellen der Porosität.
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Gemäß einer Ausführungsform wird in diesem Schritt die finale Form des Einzelblatts hergestellt, mit andere Worten dessen Endkontur. Wie bereits angedeutet, kann dieser Verfahrensschritt auch derart ausgebildet sein, dass hierbei der Ableiterbereich mit ausgebildet wird. Zum Schneiden kommen bevorzugt die bereits genannten mechanischen und/oder thermischen Schneidverfahren zum Einsatz.
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Die Erfindung betrifft auch eine Elektrode, insbesondere eine Komposit-Elektrode, insbesondere für eine Energiespeicherzelle, eine Lithiumionenbatterie bzw. einen Lithiumionenakku, umfassend ein Trägermaterial, welches Einzelblattdimensionen aufweist, und wobei das Trägermaterial eine Beschichtung aufweist, welche unverdichtet ist. Insbesondere handelt es sich um eine unverdichtete Einzelblatt-Elektrode. Die Elektrode weist bevorzugt keinen oder nur einen sehr kleinen unbeschichteten Bereich auf. Dadurch ist die Gefahr des Reißens der Elektrode bzw. der Stellen am Trägermaterial, die nicht beschichtet sind, nicht mehr vorhanden und eine höhere Verpressung der Elektrode und damit das Erzielen einer höheren Elektrodendichte werden ermöglicht. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Elektrode sehr gut weiterverarbeitet werden kann.
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Die Erfindung betrifft auch einen Elektrodenstapel, umfassend eine Vielzahl von stapelförmig angeordneten Elektroden, Kathoden und Anoden, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Um einen den Elektrodenstapel zu konfektionieren, werden die Elektroden mit einem Separator zusammen verwendet. Es können alle bekannten Separatoren zu einem Einzelblatt konfektioniert und appliziert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Elektrodenstapel als Einzelblattstapel ausgebildet. Alternativ ist der Elektrodenstapel als Bizellenstapel ausgebildet.
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Weiter betrifft die Erfindung einen Energiespeicher, umfassend einen erfindungsgemäßen Elektrodenstapel. Bei dem Energiespeicher handelt es sich gemäß einer Ausführungsform um eine Lithiumionenzelle oder um eine Lithium-Schwefel-Zelle.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Energiespeicher ein festes Zellgehäuse, welches insbesondere eine prismatische Form aufweist. Alternativ kann der Energiespeicher als Pouchbag oder Soft-Pack ausgebildet sein, wobei es hierbei um eine weiche Verpackung, bestehend aus hochveredelter Aluminium-Verbundfolie handelt. Alternative Zellgehäuseformen sind ebenfalls möglich. Grundsätzlich ermöglicht das Stapeln der Elektroden eine extrem hohe Ausnutzung eckiger, insbesondere kubischer oder quaderförmiger, Zellgehäuse, vgl. insbesondere die vorgenannten prismatischen Zellgehäuse.
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Weiter betrifft die Erfindung eine Traktionsbatterie, umfassend zumindest einen erfindungsgemäßen Energiespeicher. Bevorzugt ist die Traktionsbatterie ausgelegt zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, wie einem Personenkraftwagen, einem Kraftrad oder auch einem Nutzfahrzeug.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen von Verfahren mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Verschiedene Merkmale können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs zur Herstellung einer Elektrode;
- 2: eine schematische Darstellung eines alternativen Verfahrensablaufs gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt links zwei Ausführungsformen von Trägermaterialien bzw. Trägerfolien 10, welche sich entlang einer Bahnrichtung B erstrecken. Die obere Variante ist streifenförmig beschichtet, vgl. das Bezugszeichen 22, die untere Variante streifenförmig und entlang der Bahnrichtung B intermittierend. Die unbeschichteten Bereiche sind mit dem Bezugszeichen 26 skizziert. Eine Verdichtung ist noch nicht erfolgt, eine Porosität der Elektrode also noch nicht eingestellt. Zweckmäßigerweise werden aus derartigen Trägermaterialien 10 Einzelblätter erzeugt, vgl. das Bezugszeichen 20. In der hier dargestellten Ausführungsform ist dabei ein Ableiterbereich 24 automatisch mit ausgebildet. Das Einstellen der Porosität der Elektrode(n)bzw. das Verdichten oder Verpressen erfolgt erst in einem nachfolgenden Schritt, mit Vorteil also direkt am Einzelblatt 20. Die Bezugszeichen W1 und W2 bezeichnen beispielhaft zwei Walzrichtungen. Das Verdichten entlang verschiedener Richtungen erhöht die Prozessstabilität, da etwaige Verformungen bestmöglich ausgeglichen werden können. Nach dem Verpressen oder Verdichten der Elektroden erfolgt in einem letzten Schritt ggf. ein Nachschneiden des Einzelblatts 20 auf Endkontur. Je nach Ausführungsform kann dieser Schritt aber auch entfallen. Für den Fall, dass der Ableiterbereich 24 beschichtet ist, kann dieser ebenfalls nachträglich freigelegt werden.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Elektrode, wobei die wesentlichen Schritte aus der 1 bekannt sind. Ein entscheidender Unterschied besteht darin, dass hier beim Erzeugen eines Einzelblatts 20 aus einer Trägerfolie 10 ein Ableiterbereich 24 nicht bereits mit erzeugt wird. Stattdessen wird der Ableiterbereich 24 erst in einem letzten Bearbeitungsschritt erzeugt. Das Einzelblatt 20 weist zunächst streifenförmige unbeschichtete Bereiche 26 auf. Diese können vorteilhafterweise dazu genutzt werden, das Einzelblatt 20 im Prozess besser zu handeln. Dabei sind die unbeschichteten Bereiche 26 derart klein bemessen, dass beim Verpressen, Verdichten bzw. Kalandrieren keine Falten, Risse oder dergleichen auftreten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Trägermaterial, Trägerfolie
- 20
- Einzelblatt
- 22
- Beschichtung, Beschichtungsmasse
- 24
- Ableiterbereich
- 26
- unbeschichteter Bereich
- W1
- erste Walzrichtung
- W2
- zweite Walzrichtung
- B
- Bahnrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2296209 A1 [0002]
- DE 102017215143 A1 [0002]
