DE102020116946A1

DE102020116946A1 - Energy storage device and method for manufacturing an energy storage device

Info

Publication number: DE102020116946A1
Application number: DE102020116946.9A
Authority: DE
Inventors: Holger Gritzka
Original assignee: Investhg Ug Haftungsbeschraenkt
Current assignee: Investhg Ug Haftungsbeschraenkt
Priority date: 2020-06-26
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2021-12-30

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Siebdruckens, auf einer Druckauflage (210), welche zur Auflage eines Zellelements oder Zellstapels des Energiespeichers (100) ausgebildet ist, einer ersten Paste (121), um eine erste Elektrodenteilschicht (111) einer Elektrodenschicht (101) des Zellelements oder Zellstapels auszubilden, und einen Schritt des Siebdruckens einer zweiten Paste (122), welche von der ersten Paste (121) verschieden zusammengesetzt ist, unmittelbar auf die erste Elektrodenteilschicht (111), um eine zweite Elektrodenteilschicht (112) der Elektrodenschicht (101) auszubilden. Unter einem weiteren Gesichtspunkt schafft die Erfindung einen Energiespeicher, welcher ein Zellelement oder einen Zellstapel mit einer siebgedruckten ersten Elektrodenteilschicht (111) und einer auf die erste Elektrodenteilschicht (111) siebgedruckten zweiten Elektrodenteilschicht (112) aufweist, wobei die erste Elektrodenteilschicht (111) und die zweite Elektrodenteilschicht (112) verschieden zusammengesetzt sind.

The invention creates a method for producing an energy store. The method comprises a step of screen printing, a first paste (121) on a print support (210), which is designed to support a cell element or cell stack of the energy store (100), in order to form a first partial electrode layer (111) of an electrode layer (101) of the To form cell elements or cell stacks, and a step of screen printing a second paste (122), which is composed differently from the first paste (121), directly on the first electrode sublayer (111) to form a second electrode sublayer (112) of the electrode layer (101) to train. From a further aspect, the invention provides an energy storage device which has a cell element or a cell stack with a screen-printed first electrode sub-layer (111) and a second electrode sub-layer (112) screen-printed on the first electrode sub-layer (111), the first electrode sub-layer (111) and the second electrode sub-layer (112) are composed differently.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf einen Energiespeicher, insbesondere einen Energiespeicher, der eine elektrochemische Zelle enthält. Unter einem weiteren Gesichtspunkt bezieht sich die Erfindung auf ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Energiespeicher.The invention relates to an energy store, in particular an energy store that contains an electrochemical cell. From a further aspect, the invention relates to a production method for such an energy store.

Technischer HintergrundTechnical background

Eine elektrochemische Zelle umfasst eine Kathode, also eine positive Elektrode, eine Anode, also eine negative Elektrode, sowie einen Separator, der die positive Elektrode von der negativen Elektrode trennt. Bei einer konventionellen Batteriezelle sind in einem Gehäuse die positive Elektrode, die negative Elektrode, der Separator und ein flüssiger Elektrolyt aufgenommen, in dem die vorgenannte positive Elektrode, die negative Elektrode und der Separator zumindest teilweise aufgenommen sind. Bei einer Festkörperbatteriezelle ist der Separator mit einem festen Elektrolyten gebildet. Die Anode und Kathode können über Kontakte einen Stromkreis mit einem Verbraucher ausbilden. Eine elektrochemische Zelle kann für Energiespeicher in Form einer Primärbatterie oder einer Sekundärbatterie zum Einsatz kommen. Als Primärbatterie wird eine nicht wiederaufladbare Batterie bezeichnet, die für den einmaligen Gebrauch bestimmt ist. Als Sekundärbatterie oder Akkumulator wird eine Batterie bezeichnet, die wiederaufladbar ist.An electrochemical cell comprises a cathode, that is to say a positive electrode, an anode, that is to say a negative electrode, and a separator that separates the positive electrode from the negative electrode. In a conventional battery cell, the positive electrode, the negative electrode, the separator and a liquid electrolyte are accommodated in a housing, in which the aforementioned positive electrode, the negative electrode and the separator are at least partially accommodated. In the case of a solid-state battery cell, the separator is formed with a solid electrolyte. The anode and cathode can form a circuit with a consumer via contacts. An electrochemical cell can be used for energy storage in the form of a primary battery or a secondary battery. A primary battery is a non-rechargeable battery that is intended for single use. A battery that is rechargeable is referred to as a secondary battery or accumulator.

Bei einem bekannten Rolle-zu-Rolle-Nassbeschichtungsverfahren zur Herstellung von Batteriezellen wird eine geringviskose Aufschlämmung mit einem jeweiligen Elektrodenmaterial für die Anode bzw. Kathode jeweils beidseitig und nacheinander auf einem metallischen Ableiter aufgebracht und das Lösungsmittel danach verdampft. Zur Zellassemblierung werden die so entstandenen Elektrodenrollen dann geschnitten und zusammen mit einem Separator abwechselnd (Anode, Separator, Kathode) solange gestapelt, bis eine gewünschte Kapazität erreicht ist. Danach wird der Stapel elektrisch verbunden und in ein Gehäuse, z.B. einen Folienbeutel, eingepackt. Anschließend wird noch ein flüssiger Elektrolyt eingefüllt und das Gehäuse verschlossen. Die resultierende Zelle hat eine Nominalspannung von ca. 3,2 V, je nach Kathodenmaterial. Ein Nachteil dieses Herstellungsverfahrens besteht in der Vielzahl unterschiedlicher Fertigungsschritte, die mittels unterschiedlich spezialisierter Fertigungsvorrichtungen auszuführen sind. Dies bedingt nicht nur eine aufwendig gestaltete Fertigungsanlage, sondern darüber hinaus während des Herstellungsablaufs zeitaufwendige Bewegungen der Zwischenprodukte von einer Fertigungsvorrichtung in die andere.In a known roll-to-roll wet coating process for the production of battery cells, a low-viscosity slurry with a respective electrode material for the anode or cathode is applied to a metallic conductor on both sides and one after the other and the solvent is then evaporated. To assemble the cells, the resulting electrode rolls are then cut and alternately stacked together with a separator (anode, separator, cathode) until a desired capacity is reached. The stack is then electrically connected and packed in a housing such as a foil pouch. A liquid electrolyte is then filled in and the housing is closed. The resulting cell has a nominal voltage of approx. 3.2 V, depending on the cathode material. A disadvantage of this manufacturing method is the large number of different manufacturing steps that have to be carried out using manufacturing devices of different specialization. This not only requires an elaborately designed manufacturing plant, but also time-consuming movements of the intermediate products from one manufacturing device to the other during the manufacturing process.

Die US 5 035 965 A offenbart ein Herstellungsverfahren für eine flexible Dünnschichtzelle, bei dem auf einer Lithium-Aluminium-Folie als Material negativer Polarität ein Elektrolytmaterial und auf diesem ein Material positiver Polarität jeweils durch einen Siebdruckvorgang aufgebracht und in einem UV-Kalzinierofen getrocknet wird. Die Viskosität des in der Siebdruckvorrichtung verwendeten Polymers ist auf etwa 30 Pa s eingestellt. Unter gleichen Bedingungen wird in einem weiteren Siebdruck- und Trockenvorgang ein Ableiter aufgebracht. Die Dünnschichtzelleinheiten werden anschließend zwischen Gehäusematerialien mit Leitungsanschlüssen laminiert, unter Evakuierung fusionsgebondet und in vorbestimmte Größen geschnitten. Eine Mehrschichtstruktur kann hergestellt werden, indem vor dem Aufbringen des Ableiters Lithium-Aluminium-Folie auf das Material positiver Polarität fusionsgebondet wird und das Aufbringen und Trocknen des Elektrolytmaterials und des Materials positiver Polarität wiederholt werden.the U.S. 5,035,965 A discloses a manufacturing method for a flexible thin-film cell in which an electrolyte material is applied as a material of negative polarity to a lithium aluminum foil and a material of positive polarity is applied to this by a screen printing process and dried in a UV calcining oven. The viscosity of the polymer used in the screen printing device is set to about 30 Pa · s. Under the same conditions, an arrester is applied in a further screen printing and drying process. The thin-film cell units are then laminated between housing materials with line connections, fusion-bonded with evacuation and cut into predetermined sizes. A multilayer structure can be produced by fusion-bonding lithium-aluminum foil to the positive polarity material before applying the arrester and repeating the application and drying of the electrolyte material and the positive polarity material.

Die FR 2 690 567 A1 schlägt ein Herstellungsverfahren für einen elektrochemischen Generator mit einer geringen Dicke von zwischen 10 µm und 100 µm vor, bei dem auf einem Glas-Epoxy-Verbundträger nach- und übereinander ein Kathodenstromableiter, eine Kathode, ein Elektrolytabscheider, eine Anode, ein Anodenstromableiter und ein Verkapselungsmaterial jeweils mittels teils mehrschichtiger Siebdruckvorgänge aufgebracht werden, gefolgt von dreistündigem Trocknen bei 100 °C unter Primärvakuum nach jeder Schicht. Der Elektrolytabscheider, der Anodenstromableiter und das Verkapselungsmaterial sind seitlich der Kathode und Anode schräg bis auf den Glas-Epoxy-Verbundträger hinabgeführt, wobei außenliegende Abschnitte der Stromableiter vom Verkapselungsmaterial unbedeckt bleiben.the FR 2 690 567 A1 proposes a manufacturing process for an electrochemical generator with a small thickness of between 10 µm and 100 µm in which a cathode current arrester, a cathode, an electrolyte separator, an anode, an anode current arrester and an encapsulation material are placed one after the other on a glass-epoxy composite carrier applied by means of partly multi-layer screen printing processes, followed by drying for three hours at 100 ° C. under a primary vacuum after each layer. The electrolyte separator, the anode current conductor and the encapsulation material are led down at an angle to the side of the cathode and anode as far as the glass-epoxy composite carrier, with outer sections of the current conductors remaining uncovered by the encapsulation material.

Bei diesem Verfahren erfolgt die Herstellung zwar mittels einer Abfolge ähnlicher Verfahrensschritte. Ebenso wie bei dem in der US 5 035 965 A offenbarten Herstellungsverfahren besteht jedoch das Problem, dass mittels der Siebdruckvorgänge lediglich dünne Schichten erzeugt werden, was die pro Fläche des Energiespeichers erzielbare Speicherkapazität beschränkt. Ferner führen lange Trocknungszeiten nach dem Siebdrucken der einzelnen Schichten, dass für das Herstellen eines Energiespeichers eine erhebliche Zeit aufgewandt werden muss, die sich bei Ausbildung von z. B. einer Elektrode aus mehreren Einzelschichten weiter erhöht.In this process, production takes place by means of a sequence of similar process steps. As with the one in the U.S. 5,035,965 A However, there is the problem that only thin layers are produced by means of the screen printing processes, which limits the storage capacity that can be achieved per area of the energy store. Furthermore, long drying times after the screen printing of the individual layers mean that a considerable amount of time has to be expended for the production of an energy storage device. B. an electrode made of several individual layers is further increased.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, bei geringgehaltenem, insbesondere zeitlichem, Aufwand des Herstellungsverfahrens die bei gegebener seitlicher Ausdehnung erzielbare Kapazität des Energiespeichers zu erhöhen.It is therefore an object of the invention to increase the capacity of the energy store that can be achieved with a given lateral expansion while keeping the production process low, in particular in terms of time.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers gemäß Patentanspruch 1 oder einen Energiespeicher gemäß Patentanspruch 9.The object is achieved by a method for producing an energy store according to claim 1 or an energy store according to claim 9.

Das Verfahren umfasst einen Schritt des Siebdruckens, auf einer Druckauflage, welche zur Auflage eines Zellelements oder Zellstapels des Energiespeichers ausgebildet ist, einer ersten Paste, um eine erste Elektrodenteilschicht einer Elektrodenschicht des Zellelements oder Zellstapels auszubilden, und einen Schritt des Siebdruckens einer zweiten Paste, welche von der ersten Paste verschieden zusammengesetzt ist, unmittelbar auf die erste Elektrodenteilschicht, um eine zweite Elektrodenteilschicht der Elektrodenschicht auszubilden.The method comprises a step of screen printing, on a printing surface, which is designed for laying on a cell element or cell stack of the energy store, a first paste in order to form a first partial electrode layer of an electrode layer of the cell element or cell stack, and a step of screen printing a second paste which is composed differently from the first paste, directly on the first electrode sublayer in order to form a second electrode sublayer of the electrode layer.

Die Ausdrücke „auf“, „Auflage“ und „Druckauflage“ sind in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen durchweg bezogen auf eine Druckrichtung des Siebdruckens gemeint, die vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, mit der Richtung der Schwerkraft während der Siebdruckschritte übereinstimmt. Auch sonst beziehen sich im allgemeinen Sprachgebrauch auf die Schwerkraftrichtung bezogene Begriffe wie „oben“, „unten“, „Oberseite“, „Höhe“ oder „neben“ vorliegend stets auf die Druckrichtung. Entsprechend bezieht sich der Begriff „Gehäuseseitenwand“ auf eine Gehäusewand, die eine seitlich weisende Flächennormale hat und sich somit parallel zu der Druckrichtung erstreckt. Mit „Druckauflage“ ist eine Abstützung entgegen der Druckrichtung gemeint, z. B. in Form einer ebenen Tischplatte. Sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, bedeutet in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen Siebdrucken auf einem Element nicht notwendigerweise, dass das siebgedruckte Material unmittelbar auf dem genannten Element aufgebracht wird, sondern kann auch bedeuten, dass zwischen dem genannten Element und dem siebgedruckten Material ein oder mehrere weitere Elemente angeordnet sind, die von dem genannten Element entgegen der Druckrichtung abgestützt werden. Beispielsweise kann das Ausbilden der Elektrodenschicht auf der Druckauflage auch bedeuten, dass die Elektrodenschicht auf einer metallischen Ableiterschicht siebgedruckt wird, unter welcher sich ein Gehäuseboden befindet, der auf der Druckauflage aufliegt und von ihr entgegen der Druckrichtung abgestützt wird.Throughout the present description and claims, the terms “on”, “support” and “print support” are intended to relate to a printing direction of the screen printing which preferably, but not necessarily, corresponds to the direction of gravity during the screen printing steps. In general, terms related to the direction of gravity, such as “above”, “below”, “top”, “height” or “next to” always refer to the direction of pressure in the present case. Correspondingly, the term “housing side wall” relates to a housing wall that has a surface normal pointing laterally and thus extends parallel to the direction of pressure. With "pressure support" is meant a support against the printing direction, e.g. B. in the form of a flat table top. Unless expressly stated otherwise, in the present description and claims screen printing on an element does not necessarily mean that the screen-printed material is applied directly to the said element, but can also mean that one or more between said element and the screen-printed material further elements are arranged, which are supported by said element against the pressure direction. For example, the formation of the electrode layer on the print pad can also mean that the electrode layer is screen-printed on a metallic conductor layer, under which there is a housing base that rests on the print pad and is supported by it against the printing direction.

Das Verfahren verwendet Siebdruckvorgänge, um die Elektrodenteilschichten auszubilden, so dass für beide Elektrodenteilschichten eine - vorzugsweise dieselbe - Vorrichtung eingesetzt wird, die auch für die Bildung weiterer Elemente des Energiespeichers wie z. B. Ableiter- oder Separatorschichten verwendbar ist. Dies ermöglicht den Verfahrensaufwand geringzuhalten. Da das Siebdrucken mit unterschiedlich zusammengesetzten Pasten erfolgt, kann, indem z. B. ein Lösungsmittelgehalt der beiden Pasten unterschiedlich festgesetzt wird, das Trocknungsverhalten der Pasten derart optimiert werden, dass die Summe der Trocknungszeiten verkürzt wird. Ferner ermöglicht die unterschiedliche Zusammensetzung der Pasten, Konzentrationsgradienten in der Elektrodenschicht zu erzeugen, durch die weitere Eigenschaften des Energiespeichers wie z. B. die Speicherkapazität oder Lebensdauer optimierbar sind oder gewünschte besondere Eigenschaften des Energiespeichers einstellbar sind.The method uses screen printing processes to form the electrode sub-layers, so that one - preferably the same - device is used for both electrode sub-layers. B. arrester or separator layers can be used. This enables the procedural effort to be kept low. Since the screen printing is done with pastes composed of different compositions, by z. For example, if the solvent content of the two pastes is set differently, the drying behavior of the pastes can be optimized in such a way that the sum of the drying times is shortened. Furthermore, the different composition of the pastes makes it possible to generate concentration gradients in the electrode layer, through which other properties of the energy storage device such. B. the storage capacity or service life can be optimized or desired special properties of the energy store can be set.

Unter einem weiteren Gesichtspunkt schafft die Erfindung einen Energiespeicher, welcher ein Zellelement oder einen Zellstapel mit einer siebgedruckten ersten Elektrodenteilschicht und einer auf die erste Elektrodenteilschicht siebgedruckten zweiten Elektrodenteilschicht aufweist, wobei die erste Elektrodenteilschicht und die zweite Elektrodenteilschicht verschieden zusammengesetzt sind.From a further aspect, the invention creates an energy store which has a cell element or a cell stack with a screen-printed first electrode sub-layer and a second electrode sub-layer screen-printed on the first electrode sub-layer, the first electrode sub-layer and the second electrode sub-layer being composed differently.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die erste Paste eine Ruheviskosität von mindestens 200 Pa s auf. Daher bleibt die siebgedruckte erste Elektrodenteilschicht auch bei größeren Dicken in der erzeugten geometrischen Form, ohne zu zerfließen. Dies ermöglicht die Ausbildung der Elektrodenteil- und damit der Elektrodenschicht mit besonders großer Dicke, um so ein Energiespeicher mit großer Speicherkapazität pro Fläche herzustellen. Außerdem ermöglicht die hohe Ruheviskosität von mindestens 200 Pa s, die Paste mit einem besonders geringen Lösungsmittelanteil zuzubereiten, wodurch sich die nach dem Siebdrucken der Elektrodenschicht erforderliche Trocknung bis auf wenige Minuten verkürzt. Hierdurch verkürzt sich weiter die für die Herstellung des Energiespeichers benötigte Zeit.According to a preferred development, the first paste has an idle viscosity of at least 200 Pa s. The screen-printed first electrode sublayer therefore remains in the generated geometric shape even with greater thicknesses without flowing. This enables the partial electrode layer and thus the electrode layer to be formed with a particularly large thickness in order to produce an energy store with a large storage capacity per area. In addition, the high idle viscosity of at least 200 Pa s enables the paste to be prepared with a particularly low proportion of solvent, which shortens the drying time required after the screen printing of the electrode layer to just a few minutes. This further shortens the time required to manufacture the energy store.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die erste Elektrodenteilschicht mit einer Dicke von mindestens 50 µm ausgebildet. Dies ermöglicht, ohne großen Zeitaufwand eine Elektrodenschicht größerer Dicke aus wenigen Elektrodenteilschichten aufzubauen, um so z. B. eine Speicherkapazitätserhöhung des Energiespeichers zu erreichen.According to a preferred development, the first partial electrode layer is formed with a thickness of at least 50 μm. This makes it possible to build up an electrode layer of greater thickness from a few electrode sublayers without spending a great deal of time in order to, for. B. to achieve an increase in the storage capacity of the energy store.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die zweite Elektrodenteilschicht mit einer Dicke von höchstens 50 µm ausgebildet. Dies ermöglicht, z. B. an der oberen Begrenzung der Elektrodenschicht gewünschte besondere Grenzflächeneigenschaften vorzusehen, um beispielsweise eine besonders glatte und rissfreie Grenzfläche vorzusehen und/oder einen allmählichen Übergang zu dem Material einer auf der Elektrodenschicht benachbart auszubildenden Schicht vorzusehen. Vorzugsweise wird die zweite Elektrodenteilschicht mit einer Dicke von höchstens 20 µm ausgebildet.According to a preferred development, the second partial electrode layer is formed with a thickness of at most 50 μm. This enables e.g. B. to provide desired special interface properties at the upper boundary of the electrode layer, for example to provide a particularly smooth and crack-free interface and / or to provide a gradual transition to the material of a layer to be formed adjacent to the electrode layer. The second partial electrode layer is preferably formed with a thickness of at most 20 μm.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die zweite Paste einen höheren Gehalt eines ionischen Leiters oder einen geringeren Gehalt eines elektrischen Leiters auf als die erste Paste. Dies ermöglicht einen fließenden Übergang von einem elektrischen Leitermaterial der Elektrodenschicht zu einem ionischen Leitermaterial einer über der Elektrodenschicht vorzusehenden Separator- bzw. Festelektrolytschicht, um z. B. die Lebensdauer oder andere Eigenschaften des Energiespeichers zu verbessern.According to a preferred development, the second paste has a higher content of an ionic conductor or a lower content of an electrical conductor than the first paste. This enables a smooth transition from an electrical conductor material of the electrode layer to an ionic conductor material of a separator or solid electrolyte layer to be provided over the electrode layer in order to e.g. B. to improve the service life or other properties of the energy storage device.

Gemäß einer alternativ bevorzugten Weiterbildung weist die zweite Paste einen geringeren Gehalt eines ionischen Leiters oder einen höheren Gehalt eines elektrischen Leiters auf als die erste Paste. Dies ermöglicht einen fließenden Übergang von einem elektrischen Leitermaterial der Elektrodenschicht zu einem ionischen Leitermaterial einer unter der Elektrodenschicht vorgesehenen Separator- bzw. Festelektrolytschicht, um z. B. die Lebensdauer oder andere Eigenschaften des Energiespeichers zu verbessern.According to an alternative preferred development, the second paste has a lower content of an ionic conductor or a higher content of an electrical conductor than the first paste. This enables a smooth transition from an electrical conductor material of the electrode layer to an ionic conductor material of a separator or solid electrolyte layer provided under the electrode layer in order to e.g. B. to improve the service life or other properties of the energy storage device.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die zweite Paste einen höheren Lösungsmittelgehalt auf als die erste Paste. Dies ermöglicht eine besonders glatte und rissfreie obere Grenzfläche der Elektrodenschicht, da auf diese Weise die erste Paste mit geringerer Viskosität bereitgestellt werden kann, so dass nach dem Siebdrucken der zweiten Elektrodenteilschicht durch Verfließen der siebgedruckten Paste eine glatte Oberfläche ausbildet, während zugleich die erforderliche Trocknungszeit kurz gehalten werden kann, da die unter der zweiten Elektrodenteilschicht verborgene erste Elektrodenteilschicht weniger des durch das Trocknen zu verflüchtigenden Lösungsmittels enthält.According to a preferred development, the second paste has a higher solvent content than the first paste. This enables a particularly smooth and crack-free upper interface of the electrode layer, since in this way the first paste can be provided with a lower viscosity, so that after the screen printing of the second electrode sub-layer a smooth surface is formed by flowing of the screen-printed paste, while at the same time the required drying time is short can be kept, since the first electrode sublayer hidden under the second electrode sublayer contains less of the solvent to be volatilized by the drying.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Trocknens der ersten Elektrodenteilschicht über eine Trocknungszeit von höchstens 10 min vor dem Siebdrucken der zweiten Paste. Auf diese Weise kann eine besonders kurze Herstellungszeit erreicht werden. Vorzugsweise dauert die Trocknungszeit höchstens 6 min.According to a preferred development, the method further comprises a step of drying the first electrode partial layer for a drying time of at most 10 minutes before the second paste is screen-printed. In this way, a particularly short production time can be achieved. The drying time preferably lasts a maximum of 6 minutes.

FigurenlisteFigure list

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand einiger Ausführungsformen dargestellt. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsansicht eines Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform,
2 eine schematische angeschnittene Vorderansicht einer Siebdruckvorrichtung beim Siebdrucken einer ersten Elektrodenteilschicht des Energiespeichers aus 1,
2A eine ausschnitthafte Vergrößerung der Elektrodenteilschicht aus 2,
3 die Vorrichtung aus 2 beim Ausbilden einer zweiten Elektrodenteilschicht des Energiespeichers,
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform zur Herstellung eines Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform,
5A-S schematische Querschnittsansichten von Schritten eines Verfahrens, gemäß einer Ausführungsform, zur Herstellung eines Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform, zu sehen in 5R, und
6 eine schematische Querschnittsansicht eines Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform.

The method according to the invention is illustrated below with the aid of some embodiments. Show it:

1 a schematic cross-sectional view of an energy store according to an embodiment,
2 a schematic sectioned front view of a screen printing device during screen printing of a first partial electrode layer of the energy store 1 ,
2A a detail enlargement of the electrode sublayer 2 ,
3 the device off 2 when forming a second partial electrode layer of the energy store,
4th a flowchart of a method according to an embodiment for producing an energy store according to an embodiment,
5A-S Schematic cross-sectional views of steps of a method, according to an embodiment, for producing an energy store according to an embodiment, to be seen in FIG 5R , and
6th a schematic cross-sectional view of an energy store according to an embodiment.

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

In den Zeichnungen sind, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, gleiche oder äquivalente Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.Unless expressly stated otherwise, the same or equivalent elements are provided with the same reference symbols in the drawings.

1 zeigt, in einer schematischen Querschnittsansicht, einen Energiespeicher 100, der z. B. als eine Primär- oder Sekundärbatterie ausgebildet sein kann. Der Energiespeicher 100 umfasst ein fluiddichtes Gehäuse 106, z. B. in Form einer festen Kapsel oder eines Folienbeutels, das mit einem Flüssigelektrolyten 107 gefüllt ist. Im Flüssigelektrolyten 107 innerhalb des Gehäuses 106 aufgenommen ist ein elektrochemisches Zellelement 102. Das Zellelement 102 ist ein flächenhaft ausgedehnter, aus mehreren Schichten 110, 111, 112, 114 aufgebauter Schichtkörper, der eine erste Elektrodenschicht 101 und eine zweite Elektrodenschicht 114 aufweist. Zwischen der ersten Elektrodenschicht 101 und der zweiten Elektrodenschicht 114 befindet sich eine Separatorschicht 110 aus einem porösen Material, das von dem Flüssigelektrolyten 107 durchdrungen ist. 1 shows, in a schematic cross-sectional view, an energy store 100 , the z. B. can be designed as a primary or secondary battery. The energy storage 100 comprises a fluid-tight housing 106 , e.g. B. in the form of a solid capsule or a foil bag containing a liquid electrolyte 107 is filled. In the liquid electrolyte 107 inside the case 106 an electrochemical cell element is included 102 . The cell element 102 is an expansive one, made up of several layers 110 , 111 , 112 , 114 built-up layer body, which has a first electrode layer 101 and a second electrode layer 114 having. Between the first electrode layer 101 and the second electrode layer 114 there is a separator layer 110 made of a porous material that is supported by the liquid electrolyte 107 is permeated.

Die erste Elektrodenschicht 101 besteht aus einer an die Separatorschicht 110 angrenzenden zweiten Elektrodenteilschicht 112 und eine an die von der Separatorschicht 110 abgewandte Seite der zweiten Elektrodenteilschicht 112 angrenzende erste Elektrodenteilschicht 111. Die zweite Elektrodenteilschicht 112 ist dünner als die erste Elektrodenteilschicht 111. Beispielsweise weist die erste Elektrodenteilschicht 111 eine Dicke von 150 µm auf, während die zweite Elektrodenteilschicht 112 eine Dicke von 50 µm aufweist. Beide Elektrodenteilschichten 111, 112 weisen ein aktives Material auf, welches geeignet ist, als Elektronendonor oder lonendonor oder als Elektronenrezeptor oder lonenrezeptor zu wirken. Insbesondere können während des Entladungsvorgangs des Energiespeichers 100 Elektronen durch eine chemische Reaktion in dem aktiven Material freigesetzt werden. Insbesondere können während eines Ladungsvorgangs des Energiespeichers 100 Elektronen oder Ionen durch eine chemische Reaktion in dem aktiven Material gebunden werden. Insbesondere kann es sich bei den chemischen Reaktionen um elektrochemische Reaktionen handeln. Die chemischen Reaktionen können reversibel ablaufen, je nachdem, ob der Energiespeicher entladen wird, um elektrische Energie bereitzustellen oder der Energiespeicher für die spätere Bereitstellung von elektrischer Energie aufgeladen wird. Die zweite Elektrodenteilschicht 112 enthält eine Beimischung des Separatormaterials, so dass sie poröser als die erste Elektrodenteilschicht 111, jedoch weniger porös als die Separatorschicht 110 ist. Hierdurch ergibt sich ein abfallender Konzentrationsgradient des Flüssigelektrolyten 107 von der Separatorschicht 110 über die zweite Elektrodenteilschicht 112 zur ersten Elektrodenteilschicht 111.The first electrode layer 101 consists of one attached to the separator layer 110 adjacent second electrode sublayer 112 and one to that of the separator layer 110 remote side of the second partial electrode layer 112 adjoining first electrode sublayer 111 . The second electrode sublayer 112 is thinner than the first electrode sub-layer 111 . For example, the first partial electrode layer 111 a thickness of 150 μm, while the second partial electrode layer 112 has a thickness of 50 µm. Both electrode sublayers 111 , 112 have an active material which is suitable to act as an electron donor or ion donor or as an electron receptor or ion receptor. In particular, during the discharge process of the energy store 100 Electrons are released through a chemical reaction in the active material. In particular, during a charging process of the energy store 100 Electrons or ions are bound in the active material through a chemical reaction. In particular, the chemical reactions can be electrochemical reactions. The chemical reactions can take place reversibly, depending on whether the energy store is discharged in order to provide electrical energy or the energy store is charged for the later provision of electrical energy. The second electrode sublayer 112 contains an admixture of the separator material, so that it is more porous than the first electrode sublayer 111 but less porous than the separator layer 110 is. This results in a falling concentration gradient of the liquid electrolyte 107 from the separator layer 110 via the second electrode sublayer 112 to the first electrode sublayer 111 .

An der der zweiten Elektrodenteilschicht 112 abgewandten Seite der ersten Elektrodenteilschicht 111 ist eine erste metallischer Ableiterschicht 115 gebildet, die sich über die gesamte Fläche der ersten Elektrodenteilschicht 111 sowie durch die Wandung des Gehäuses 106 in den Außenraum erstreckt. Die zweite Elektrodenschicht 114 weist ein metallisches Material, z. B. ein Alkalimetall wie Lithium oder Natrium auf. An der der Separatorschicht 110 abgewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht 114 ist eine zweite metallische Ableiterschicht 116 gebildet, die einen Teil der Fläche der zweiten Elektrodenschicht 114 bedeckt sowie sich durch die Wandung des Gehäuses 106 in den Außenraum erstreckt. Die im Außenraum zugänglichen Enden der metallischen Ableiterschichten 115, 116 bilden elektrische Anschlüsse des Energiespeichers 100, um dem Energiespeicher 100 elektrische Energie zu entnehmen oder, je nach Typ, zur Aufladung zuzuführen.On the second partial electrode layer 112 remote side of the first electrode sublayer 111 is a first metallic discharge layer 115 formed, which extends over the entire area of the first electrode sublayer 111 as well as through the wall of the housing 106 extends into the outer space. The second electrode layer 114 comprises a metallic material, e.g. B. an alkali metal such as lithium or sodium. At that of the separator layer 110 remote side of the second electrode layer 114 is a second metallic discharge layer 116 formed which is part of the surface of the second electrode layer 114 covered as well as through the wall of the housing 106 extends into the outer space. The ends of the metallic conductor layers that are accessible from the outside 115 , 116 form electrical connections of the energy store 100 to the energy storage 100 to take electrical energy or, depending on the type, to supply it for charging.

2 zeigt eine Siebdruckvorrichtung 212 zur Herstellung der ersten Elektrodenschicht 101 eines Energiespeichers 100 gemäß 1. Die Siebdruckvorrichtung 212 umfasst eine Druckauflage 210, wobei die Druckauflage 210 zur Auflage eines Zellelements 102 (siehe 1) oder eines mehrere Zellelemente 102 umfassenden Zellstapels 104 (vgl. 6) des Energiespeichers 100 ausgebildet ist. Die Siebdruckvorrichtung 212 umfasst ein Drucksieb 200, welches eine Vielzahl von Sieböffnungen 202 aufweist. Die Siebdruckvorrichtung 212 umfasst ferner eine erste Auftragungsvorrichtung 221 enthaltend eine erste Paste 121 und eine zweite Auftragungsvorrichtung 222 enthaltend eine zweite Paste 122, mittels derer die Pasten 121, 122 auf das Drucksieb 200 auftragbar sind. Eine Streichvorrichtung 214 mit einer über das Drucksieb 200 streichbaren Rakel 215 ist zum Streichen der Pasten 121, 122 über das Drucksieb 200 und durch die Sieböffnungen 202 in Richtung der Druckauflage 210 ausgebildet. 2 shows a screen printing device 212 for the production of the first electrode layer 101 an energy storage system 100 according to 1 . The screen printing device 212 includes a print run 210 , with the number of copies 210 for supporting a cell element 102 (please refer 1 ) or one of several cell elements 102 comprehensive cell stack 104 (see. 6th ) of the energy storage 100 is trained. The screen printing device 212 includes a pressure screen 200 , which has a variety of sieve openings 202 having. The screen printing device 212 further comprises a first application device 221 containing a first paste 121 and a second applicator 222 containing a second paste 122 , by means of which the pastes 121 , 122 on the printing screen 200 are applicable. A coater 214 with one over the pressure screen 200 paintable squeegee 215 is for painting the pastes 121 , 122 over the printing screen 200 and through the sieve openings 202 in the direction of the print run 210 educated.

Die erste Paste 121 und die zweite Paste 122 weisen beide ein identisches aktives Material auf, welches geeignet ist, als Elektronendonor oder lonendonor oder als Elektronenrezeptor oder lonenrezeptor zu wirken. Die zweite Paste 122 ist darüber hinaus mit einem Anteil von z. B. 10% porösen Separatormaterials versetzt. Beide Pasten enthalten einen Binder mit einem Epoxidharz und Essigsäurediethylenglycolmonobutyletherester als Lösungsmittel. Die Zusammensetzung der ersten Paste 121 ist derart gewählt, dass ihre Ruheviskosität 250 Pa s und ihre Scherviskosität 50 Pa s beträgt. Der Lösungsmittelgehalt der zweiten Paste 122 ist höher als der Lösungsmittelgehalt der ersten Paste 121 und derart gewählt, dass die zweite Paste 122 eine Ruheviskosität von 100 Pa s aufweist.The first paste 121 and the second paste 122 both have an identical active material which is suitable to act as an electron donor or ion donor or as an electron receptor or ion receptor. The second paste 122 is also with a proportion of z. B. 10% porous separator material added. Both pastes contain a binder with an epoxy resin and diethylene glycol monobutyl ether ester as a solvent. The composition of the first paste 121 is chosen such that its resting viscosity is 250 Pa s and its shear viscosity is 50 Pa s. The solvent content of the second paste 122 is higher than the solvent content of the first paste 121 and chosen such that the second paste 122 has an idle viscosity of 100 Pa s.

Nachfolgend soll anhand des 4 gezeigten Flussdiagramms unter Bezugnahme auf 1 bis 3 ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers 100 gemäß 1 mit Hilfe der Siebdruckvorrichtung 212 aus 2 erläutert werden. Das Verfahren beginnt mit Schritt 400, in dem eine erste metallische Ableiterschicht 115, die z. B. aus Nickel besteht, auf der Druckauflage 210 der Siebdruckvorrichtung 212 angeordnet wird. Dieser Schritt kann wahlweise mittels eines Siebdruckvorgangs oder auf andere Weise, z. B. durch Bereitstellen einer kommerziell erhältlichen Nickelfolie erfolgen.In the following, using the 4th flowchart shown with reference to FIG 1 until 3 a method for producing an energy storage device 100 according to 1 with the help of the screen printing device 212 out 2 explained. The procedure begins with step 400 , in which a first metallic conductor layer 115 , the z. B. consists of nickel, on the print pad 210 the screen printing device 212 is arranged. This step can optionally be carried out by means of a screen printing process or in some other way, e.g. B. be done by providing a commercially available nickel foil.

In Schritt 401 wird durch Siebdrucken mit der ersten Paste 121 auf der ersten metallischen Ableiterschicht 115 die erste Elektrodenteilschicht 111 des Energiespeichers 100 ausgebildet. In step 401 is made by screen printing with the first paste 121 on the first metallic conductor layer 115 the first electrode sublayer 111 of the energy storage 100 educated.

Hierzu wird mittels der ersten Auftragungsvorrichtung 221 eine geeignete Menge der ersten Paste 121 auf das Drucksieb 200 aufgetragen. Anschließend wird, wie in 2 gezeigt, mittels der Rakel 215 der Streichvorrichtung 214 die aufgetragene erste Paste 121 derart waagerecht über das Drucksieb 200 und zugleich senkrecht durch die Sieböffnungen 202 in Richtung der Druckauflage 210 gestrichen, dass auf der ersten metallischen Ableiterschicht 115 die erste Elektrodenteilschicht 111 ausgebildet wird.For this purpose, the first application device 221 an appropriate amount of the first paste 121 on the printing screen 200 applied. Then, as in 2 shown by means of the squeegee 215 the coater 214 the applied first paste 121 so horizontally over the pressure screen 200 and at the same time vertically through the sieve openings 202 in the direction of the print run 210 deleted that on the first metallic conductor layer 115 the first electrode sublayer 111 is trained.

In Schritt 402 wird die erste Elektrodenteilschicht 111 durch Wärmebestrahlung über 6 min getrocknet. Aufgrund der hohen Viskosität der ersten Paste 121 weist die erste Elektrodenteilschicht 111 nach dem Trocknen 402 eine nahezu quaderförmige Gestalt mit einer Überhöhung 301 des Randes von weniger als 1 µm und einem Kantenwinkel 300 von weniger als 1° auf.In step 402 becomes the first electrode sublayer 111 dried by heat irradiation for 6 min. Due to the high viscosity of the first paste 121 has the first electrode sublayer 111 after drying 402 an almost cuboid shape with an elevation 301 the edge of less than 1 µm and an edge angle 300 less than 1 °.

In Verzweigungsschritt 403 wird festgestellt, ob eine weitere Elektrodenteilschicht siebgedruckt werden soll. Da dies vorliegend der Fall ist („J“), wird nach Schritt 401 zurückverzweigt. In Schritt 401 wird nun durch Siebdrucken mit der zweiten Paste 122 auf der ersten Elektrodenteilschicht 111 die zweite Elektrodenteilschicht 112 des Energiespeichers 100 ausgebildet. Hierzu wird mittels der zweiten Auftragungsvorrichtung 222 eine geeignete Menge der zweiten Paste 122 auf das Drucksieb 200 aufgetragen. Anschließend wird, wie in 3 gezeigt, mittels der Rakel 215 der Streichvorrichtung 214 die aufgetragene zweite Paste 122 derart waagerecht über das Drucksieb 200 und zugleich senkrecht durch die Sieböffnungen 202 in Richtung der Druckauflage 210 gestrichen, dass auf der ersten Elektrodenteilschicht 111 die zweite Elektrodenteilschicht 112 ausgebildet wird.In branching step 403 it is determined whether a further partial electrode layer is to be screen-printed. Since this is the case here ("Y"), step 401 branched back. In step 401 is now screen printed with the second paste 122 on the first electrode sublayer 111 the second electrode sublayer 112 of the energy storage 100 educated. For this purpose, the second application device 222 an appropriate amount of the second paste 122 on the printing screen 200 applied. Then, as in 3 shown by means of the squeegee 215 the coater 214 the applied second paste 122 so horizontally over the pressure screen 200 and at the same time vertically through the sieve openings 202 in the direction of the print run 210 deleted that on the first electrode sublayer 111 the second electrode sublayer 112 is trained.

Anschließend wird in Schritt 402 die zweite Elektrodenteilschicht 112 durch Wärmebestrahlung über 6 min getrocknet. Die auf diese Weise entstandene erste Elektrodenschicht 101 weist nach dem Trocknen 402 insgesamt ebenfalls eine nahezu quaderförmige Gestalt mit einer Überhöhung 301 des Randes von weniger als 5 µm und einem Kantenwinkel 300 von weniger als 5° auf.Then in step 402 the second electrode sublayer 112 dried by heat irradiation for 6 min. The first electrode layer created in this way 101 shows after drying 402 overall also an almost cuboid shape with an elevation 301 the edge of less than 5 µm and an edge angle 300 less than 5 °.

In Verzweigungsschritt 403 wird erneut überprüft, ob noch eine weitere Elektrodenteilschicht siebgedruckt werden soll. Da dies nun nicht mehr der Fall ist („N“), wird das Verfahren mit Schritt 404 fortgesetzt. In Schritt 404 wird durch Siebdrucken mit einer dritten Paste auf der zweiten Elektrodenteilschicht 112 die Separatorschicht 110 des Energiespeichers 100 siebgedruckt. Die dritte Paste wird hierfür aus dem porösen Separatormaterial und Binder mit einem Epoxidharz und Essigsäurediethylenglycolmonobutyletherester als Lösungsmittel zubereitet, wobei die Zusammensetzung des Binders und der Lösungsmittelgehalt so eingestellt wird, dass die dritte Paste eine Ruheviskosität von 200 Pa s und eine Scherviskosität von 50 Pa s aufweist. Dieser Siebdruckvorgang wird vorzugsweise ebenfalls mittels der Siebdruckvorrichtung 212 aus 2 durchgeführt.In branching step 403 it is checked again whether a further partial electrode layer should be screen printed. Since this is no longer the case ("N"), the procedure starts with step 404 continued. In step 404 is made by screen printing with a third paste on the second electrode sublayer 112 the separator layer 110 of the energy storage 100 screen printed. The third paste is prepared for this from the porous separator material and binder with an epoxy resin and diethylene glycol monobutyl ether ester as a solvent, the composition of the binder and the solvent content being adjusted so that the third paste has an idle viscosity of 200 Pa s and a shear viscosity of 50 Pa s . This screen printing process is preferably also carried out by means of the screen printing device 212 out 2 accomplished.

Anschließend wird in Schritt 405 die Separatorschicht 110 durch Wärmebestrahlung über 6 min getrocknet. Die auf diese Weise entstandene Separatorschicht 110 weist nach dem Trocknen 405 insgesamt ebenfalls eine nahezu quaderförmige Gestalt mit einer Überhöhung 301 des Randes von weniger als 5 µm und einem Kantenwinkel 300 von weniger als 5° auf.Then in step 405 the separator layer 110 dried by heat irradiation for 6 min. The separator layer created in this way 110 shows after drying 405 overall also an almost cuboid shape with an elevation 301 the edge of less than 5 µm and an edge angle 300 less than 5 °.

In Schritt 406 wird durch Siebdrucken mit einer vierten Paste auf der Separatorschicht 110 die zweite Elektrodenschicht 114 des Energiespeichers 100 ausgebildet. Die vierte Paste wird hierfür aus dem vorgesehenen metallischen Material wie Lithium oder Natrium und Binder zubereitet. Dieser Siebdruckvorgang wird vorzugsweise ebenfalls mittels der Siebdruckvorrichtung 212 aus 2 durchgeführt. Anschließend wird in Schritt 409 die zweite Elektrodenschicht 114 durch Wärmebestrahlung über 6 min getrocknet.In step 406 is made by screen printing with a fourth paste on the separator layer 110 the second electrode layer 114 of the energy storage 100 educated. The fourth paste is prepared for this from the intended metallic material such as lithium or sodium and a binder. This screen printing process is preferably also carried out by means of the screen printing device 212 out 2 accomplished. Then in step 409 the second electrode layer 114 dried by heat irradiation for 6 min.

In Schritt 410 wird durch Siebdrucken mit einer fünften Paste auf der zweiten Elektrodenschicht 114 die zweite metallische Ableiterschicht 116 des Energiespeichers 100 ausgebildet. Die fünfte Paste wird hierfür aus dem vorgesehenen metallischen Material wie Nickel und Binder zubereitet. Dieser Siebdruckvorgang wird vorzugsweise ebenfalls mittels der Siebdruckvorrichtung 212 aus 2 durchgeführt. Anschließend wird in Schritt 411 die zweite metallische Ableiterschicht 116 durch Wärmebestrahlung über 6 min getrocknet. In Schritt 412 wird das resultierende Zellelement 102 mit den metallischen Ableiterschichten 115, 116 in einem Folienbeutel als Gehäuse 106 angeordnet und das Gehäuse 106 mit einem Flüssigelektrolyten befüllt. In Schritt 413 wird das Gehäuse auf eine solche Weise dicht verschlossen, dass die Enden der metallischen Ableiterschichten 115, 116 zur elektrischen Kontaktierung des Energiespeichers 100 in den Außenraum geführt sind.In step 410 is made by screen printing with a fifth paste on the second electrode layer 114 the second metallic conductor layer 116 of the energy storage 100 educated. The fifth paste is prepared for this from the intended metallic material such as nickel and binder. This screen printing process is preferably also carried out by means of the screen printing device 212 out 2 accomplished. Then in step 411 the second metallic conductor layer 116 dried by heat irradiation for 6 min. In step 412 becomes the resulting cell element 102 with the metallic conductor layers 115 , 116 in a foil pouch as a housing 106 arranged and the housing 106 filled with a liquid electrolyte. In step 413 the housing is sealed in such a way that the ends of the metallic conductor layers 115 , 116 for electrical contacting of the energy store 100 are led to the outside.

Als nächstes soll die Herstellung einer anderen Ausführungsform eines Energiespeichers 100 gemäß einem weiteren Verfahren anhand von 5A bis 5S beschrieben werden, in denen jeweils zugehörige Schritte A-S des Verfahrens schematisch dargestellt sind. Soweit es sich bei den Schritten um Siebdruckschritte handelt, können diese z. B. mittels der in 2 gezeigten Siebdruckvorrichtung 212 ausgeführt werden.The next step is to produce another embodiment of an energy storage device 100 according to a further method based on 5A until 5S are described, in each of which associated steps AS of the method are shown schematically. As far as the steps are screen printing steps, these can be, for. B. by means of the in 2 screen printing device shown 212 are executed.

In einem in 5A dargestellten Schritt A wird auf einer nicht gezeigten Druckauflage, als welche die Druckauflage 210 der Siebdruckvorrichtung 212 verwendet werden kann, ein Gehäuseboden 501 des Energiespeichers 100 siebgedruckt. Hierfür wird eine durch Wärmestrahlung zu einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff, der im Folgenden als Polyethylen angenommen werden soll, polymerisierbare Paste verwendet. Der resultierende Gehäuseboden 501 ist eine im Wesentlichen quaderförmige Schicht von ca. 200 µm bis 500 µm Dicke.In an in 5A Step A shown is on a print edition, not shown, as which the print edition 210 the screen printing device 212 can be used a case back 501 of the energy storage 100 screen printed. For this purpose, a paste is used that can be polymerized by thermal radiation to form an electrically non-conductive material, which in the following is to be assumed as polyethylene. The resulting case back 501 is an essentially cuboid layer with a thickness of approx. 200 µm to 500 µm.

In Schritt B - dargestellt in 5B - wird der Gehäuseboden 501 über einen Zeitraum von ca. 6 min mit Wärmestrahlung 599 behandelt, um die Polymerisation des Polyethylens durchzuführen.In step B - shown in 5B - becomes the case back 501 over a period of approx. 6 min with thermal radiation 599 treated to carry out the polymerization of the polyethylene.

In Schritt C - dargestellt in 5C - wird auf dem Gehäuseboden 501 eine 10 µm dicke erste metallische Ableiterschicht 115 aus Nickel durch Auflegen oder Siebdrucken mit einer entsprechenden Paste aufgebracht. In Randnähe des Gehäusebodens 501 bleibt dabei ein streifenförmiger umlaufender Gehäuseseitenwandbereich, in dem auch ein erster Kontaktierbereich 512 und diesem gegenüber einen zweiter Kontaktierbereich 510 zur Kontaktierung des Energiespeichers 100 liegen, des Gehäusebodens 501 unbedeckt - bis auf den ersten Kontaktierbereich 512, in dem sich die erste metallische Ableiterschicht 115 im Wesentlichen bis zum Rand des Gehäusebodens 501 erstreckt.In step C - shown in 5C - is on the case back 501 a 10 µm thick first metallic conductor layer 115 Made of nickel, applied by laying on or screen printing with an appropriate paste. Near the edge of the case back 501 remains a striped one circumferential housing side wall area, in which there is also a first contact area 512 and a second contact area opposite this 510 for contacting the energy store 100 lie, of the case back 501 uncovered - except for the first contact area 512 , in which the first metallic conductor layer 115 essentially to the edge of the case back 501 extends.

In Schritt D - dargestellt in 5D - wird die erste metallische Ableiterschicht 115 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet. Die Dauer der Bestrahlung beträgt wie auch in nachfolgenden Bestrahlungsschritten ebenfalls ca. 6 min.In step D - shown in 5D - becomes the first metallic discharge layer 115 with thermal radiation 599 dried. The duration of the irradiation, as in the subsequent irradiation steps, is also approx. 6 minutes.

In Schritt E - dargestellt in 5E - wird eine erste Elektrodenteilschicht 111 mit einer Dicke von ca. 100 µm durch Siebdrucken auf die erste metallische Ableiterschicht 115 mit aufgetragen, wobei der erste Kontaktierbereich 512 ausgespart bleibt. Die hierfür verwendete Paste ist gleich zusammengesetzt und weist gleiche Eigenschaften auf wie die in Bezug auf 1 bis 3 bereits beschriebene erste Paste 121, weswegen auf eine nochmalige Erläuterung der Zusammensetzung hier verzichtet wird. In Schritt F - dargestellt in 5F - wird die erste Elektrodenteilschicht 111 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet.In step E - shown in 5E - becomes a first partial electrode layer 111 with a thickness of approx. 100 µm by screen printing on the first metallic conductor layer 115 also applied, the first contacting area 512 is left out. The paste used for this has the same composition and has the same properties as that in relation to 1 until 3 first paste already described 121 , which is why a repeated explanation of the composition is dispensed with here. In step F - shown in 5F - becomes the first partial electrode layer 111 with thermal radiation 599 dried.

In Schritt G - dargestellt in 5G - wird eine zweite Elektrodenteilschicht 112 mit einer Dicke von ca. 50 µm durch Siebdrucken auf die erste Elektrodenteilschicht 111 aufgetragen. Die hierfür verwendete Paste ist gleich zusammengesetzt und weist gleiche Eigenschaften auf wie die in Bezug auf 1 bis 3 bereits beschriebene zweite Paste 122, enthält allerdings anstelle einer Beimischung eines porösen Separatormaterials einen entsprechenden Anteil eines ionischen Leiters. Die erste und zweite Elektrodenteilschicht 111, 112 bilden gemeinsam eine erste Elektrodenschicht 101 des Energiespeichers 100. In Schritt H - dargestellt in 5H - wird die zweite Elektrodenteilschicht 112 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet.In step G - shown in 5G - becomes a second partial electrode layer 112 with a thickness of approx. 50 µm by screen printing on the first partial electrode layer 111 applied. The paste used for this has the same composition and has the same properties as that in relation to 1 until 3 already described second paste 122 , however, instead of an admixture of a porous separator material, contains a corresponding proportion of an ionic conductor. The first and second electrode sub-layers 111 , 112 together form a first electrode layer 101 of the energy storage 100 . In step H - shown in 5H - becomes the second partial electrode layer 112 with thermal radiation 599 dried.

In Schritt I - dargestellt in 51 - wird eine Separatorschicht 110 aus einem Festelektrolytmaterial mit einer Dicke von ca. 10 µm bis 30 µm durch Siebdrucken auf die zweite Elektrodenteilschicht 112 aufgetragen. Das Festelektrolytmaterial enthält den gleichen ionischen Leiter wie anteilsmäßig bereits die zweite Elektrodenteilschicht 112, so dass sich ein Konzentrationsgradient des ionischen Leiters von der zweiten Elektrodenteilschicht 112 in die Separatorschicht 110 ergibt. In Schritt J - dargestellt in 5J - wird die zweite Separatorschicht 110 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet.In step I - shown in 51 - becomes a separator layer 110 made of a solid electrolyte material with a thickness of approx. 10 µm to 30 µm by screen printing on the second partial electrode layer 112 applied. The solid electrolyte material contains the same ionic conductor as proportionally already the second partial electrode layer 112 so that there is a concentration gradient of the ionic conductor from the second electrode sublayer 112 into the separator layer 110 results. In step J - shown in 5Y - becomes the second separator layer 110 with thermal radiation 599 dried.

In Schritt K - dargestellt in 5K - wird im umlaufenden Gehäuseseitenwandbereich einschließlich eines innenliegenden Abschnitts des ersten Kontaktierbereichs 512 eine umlaufende Gehäuseseitenwand 502 durch Siebdrucken mit dem gleichen Material, das in Schritt A für den Gehäuseboden 501 verwendet wurde, auf den Gehäuseboden 501 bzw. die erste metallische Ableiterschicht 115 aufgebracht. Im außenliegenden Abschnitt des ersten Kontaktierbereichs 512 liegt die erste metallische Ableiterschicht 115 weiterhin frei. Die Oberkante der Gehäuseseitenwand 502 fluchtet in einem innenliegenden Abschnitt des zweiten Kontaktierbereichs 510 mit der Oberkante der Separatorschicht 110, während sie in den übrigen Abschnitten ca. 10 µm höher als die Oberkante der Separatorschicht 110 liegt. In Schritt L - dargestellt in 5L - wird die Gehäuseseitenwand 502 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet.In step K - shown in 5K - Is in the circumferential housing side wall area including an inner section of the first contacting area 512 a circumferential housing side wall 502 by screen printing with the same material that was used in step A for the case back 501 was used on the case back 501 or the first metallic conductor layer 115 upset. In the outer section of the first contacting area 512 is the first metallic conductor layer 115 still free. The top edge of the housing side wall 502 is aligned in an inner section of the second contacting area 510 with the upper edge of the separator layer 110 , while in the remaining sections it is about 10 µm higher than the upper edge of the separator layer 110 located. In step L - shown in 5L - becomes the side wall of the housing 502 with thermal radiation 599 dried.

In Schritt M - dargestellt in 5M - wird eine zweite Elektrodenschicht 114 durch Siebdrucken eines metallischen Materials, bei dem es sich um Lithium, Natrium oder ein anderes Alkalimetall handeln kann, auf die Separatorschicht 110 und den innenliegenden Abschnitt des zweiten Kontaktierbereichs 510 aufgebracht. Die zweite Elektrodenschicht 114 ist ca. 10 µm dick, so dass sie mit der Oberkante der Gehäuseseitenwand 502 bündig abschließt. In Schritt N - dargestellt in 5N - wird die zweite Elektrodenschicht 114 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet. Alternativ zur Herstellung der zweiten Elektrodenschicht 114 durch Siebdrucken in Schritt M und N kann die zweite Elektrodenschicht 114 auch durch Sprühen aufgebracht werden.In step M - shown in 5 M - becomes a second electrode layer 114 by screen printing a metallic material, which may be lithium, sodium, or another alkali metal, on the separator layer 110 and the inner section of the second contacting area 510 upset. The second electrode layer 114 is approx. 10 µm thick, so that it aligns with the top edge of the housing side wall 502 ends flush. In step N - shown in 5N - becomes the second electrode layer 114 with thermal radiation 599 dried. As an alternative to producing the second electrode layer 114 by screen printing in step M and N, the second electrode layer 114 can also be applied by spraying.

In Schritt O - dargestellt in 50 - wird im zweiten Kontaktierbereich 510 eine ca. 10 µm dicke zweite metallische Ableiterschicht 116 aus Nickel durch Siebdrucken mit einer entsprechenden Paste aufgebracht. Die zweite metallische Ableiterschicht 116 liegt im außenliegenden Abschnitt des zweiten Kontaktierbereichs 510 direkt auf der Gehäuseseitenwand 502, im innenliegenden Abschnitt des zweiten Kontaktierbereichs 510 auf der zweiten Elektrodenschicht 114, wird jedoch im gesamten zweiten Kontaktierbereich 510 mechanisch durch die Gehäuseseitenwand 502 abgestützt. In Schritt P - dargestellt in 5P - wird eine Höhenausgleichsschicht 503 der Dicke 10 µm mit dem gleichen Material, das für den Gehäuseboden 501 und die Gehäuseseitenwand 502 verwendet wurde, auf die noch freiliegenden Abschnitte der zweiten Elektrodenschicht 114 und der Gehäuseseitenwand 502 siebgedruckt. In Schritt Q - dargestellt in 5Q - werden die zweite metallische Ableiterschicht 116 und die Höhenausgleichsschicht 503 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet bzw. polymerisiert.In step O - shown in 50 - is in the second contact area 510 a second metallic conductor layer approx. 10 µm thick 116 Made of nickel, applied by screen printing with an appropriate paste. The second metallic conductor layer 116 lies in the outer section of the second contact area 510 directly on the housing side wall 502 , in the inner section of the second contacting area 510 on the second electrode layer 114 , however, is used in the entire second contact area 510 mechanically through the housing side wall 502 supported. In step P - shown in 5P - becomes a leveling layer 503 10 µm thick with the same material used for the case back 501 and the housing side wall 502 was used on the portions of the second electrode layer that were still exposed 114 and the housing side wall 502 screen printed. In step Q - shown in 5Q - become the second metallic conductor layer 116 and the leveling layer 503 with thermal radiation 599 dried or polymerized.

In Schritt R - dargestellt in 5R - wird ein quaderförmiger Gehäusedeckel 504 einer Dicke von ca. 200 µm durch Siebdrucken mit dem gleichen Material, das für den Gehäuseboden 501, die Gehäuseseitenwand 502 und die Höhenausgleichsschicht 503 verwendet wurde, auf die Höhenausgleichsschicht 503 und - unter Aussparen des außenliegenden Abschnitts des zweiten Kontaktierbereichs 510 - die zweite metallische Ableiterschicht 116 aufgebracht. In Schritt S - dargestellt in 5S - wird der Gehäusedeckel 504 mit Wärmestrahlung 599 getrocknet bzw. polymerisiert.In step R - shown in 5R - becomes a cuboid housing cover 504 a thickness of approx. 200 µm by screen printing with the same material that is used for the case back 501 , the Housing side wall 502 and the leveling layer 503 was used on the leveling layer 503 and - while leaving out the outer section of the second contacting area 510 - the second metallic conductor layer 116 upset. In step S - shown in 5S - becomes the housing cover 504 with thermal radiation 599 dried or polymerized.

Der hergestellte Energiespeicher 100 kann durch die in den außenliegenden Abschnitten des ersten Kontaktierbereichs 512 und des zweiten Kontaktierbereichs 510 jeweils freiliegenden Enden der ersten metallischen Ableiterschicht 115 und der zweiten metallischen Ableiterschicht 116 von oben elektrisch kontaktiert werden, wobei mechanische Belastungen in das Gehäuse abgeleitet werden, ohne das Zellelement 102 zu beeinträchtigen.The produced energy storage 100 can through those in the outer sections of the first contacting area 512 and the second contact area 510 each exposed ends of the first metallic conductor layer 115 and the second metallic conductor layer 116 electrical contact can be made from above, with mechanical loads being diverted into the housing without the cell element 102 to affect.

6 zeigt einen weiteren Energiespeicher 100, der einen ähnlichen Aufbau hat, jedoch nicht nur ein einzelnes Zellelement 102, sondern einen Zellstapel 104 mit mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Zellelementen 102, 102', 102" aufweist. Der Energiespeicher 100 kann mit einem Herstellungsverfahren hergestellt werden, das weitgehend mit dem anhand von 5A bis 5S beschriebenen übereinstimmt. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden nachfolgend lediglich die Unterschiede dargestellt. 6th shows another energy store 100 which has a similar structure, but not just a single cell element 102 but a stack of cells 104 with several cell elements electrically connected in series 102 , 102 ' , 102 " having. The energy storage 100 can be manufactured using a manufacturing process that is largely identical to that based on 5A until 5S described matches. To avoid repetition, only the differences are shown below.

Nachdem Verfahrensschritte wie in 5A bis 5J gezeigt ausgeführt wurden, wird ähnlich wie in 5K gezeigt eine Gehäuseseitenwand 501 ausgebildet, die jedoch in Gänze die Separatorschicht 110 um 10 µm übberragt. Anschließend wird eine zweite Elektrodenschicht 114 ähnlich wie in 5M gezeigt auf die Separatorschicht 110, nicht jedoch auf die Gehäuseseitenwand 502 aufgebracht, so dass die Gehäuseseitenwand 502 und die Separatorschicht 110 nach oben bündig miteinander abschließen.After procedural steps as in 5A until 5Y shown is similar to that shown in 5K shown a housing side wall 501 formed, however, in its entirety the separator layer 110 protruded by 10 µm. Then a second electrode layer is applied 114 similar to in 5 M shown on the separator layer 110 but not on the side wall of the housing 502 applied so that the housing side wall 502 and the separator layer 110 flush with one another at the top.

Danach wird eine dritte metallische Ableiterschicht 117 auf die zweite Elektrodenschicht 114 und einen ringförmig an diese angrenzenden innenliegenden Abschnitt der Gehäuseseitenwand 502 aufgebracht, was auf die gleiche Weise wie bei der in der vorhergehenden Ausführungsform für die zweite metallische Ableiterschicht 116 erfolgen kann. Hierauf werden, um ein zweites Zellelement 102' des Zellstapels zu bilden, die 5E bis 5J entsprechenden Verfahrensschritte wiederholt, wobei die erste Elektrodenteilschicht 111 des zweiten Zellelements 102' auf die dritte metallische Ableiterschicht 117 aufgebracht wird. Auf die beschriebene Weise können wie in 6 gezeigt drei oder mehr Zellemente 102, 102', 102" ausgebildet werden, die über dazwischenliegende metallische Ableiterschichten 117 elektrisch miteinander in Reihe geschaltet und bezüglich ionischer Leiter voneinander getrennt sind.Then a third metallic conductor layer is applied 117 on the second electrode layer 114 and an inner section of the housing side wall adjoining this annularly 502 applied in the same way as in the previous embodiment for the second metallic conductor layer 116 can be done. This is followed by a second cell element 102 ' of the cell stack to form the 5E until 5Y corresponding method steps are repeated, the first electrode sublayer 111 of the second cell element 102 ' onto the third metallic conductor layer 117 is applied. In the manner described, as in 6th shown three or more cell elements 102 , 102 ' , 102 " are formed via intermediate metallic conductor layers 117 are electrically connected in series with one another and separated from one another with respect to ionic conductors.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 5035965 A [0004, 0006]
FR 2690567 A1 [0005]

Claims

A method for producing an energy store (100), comprising the following steps: Screen printing, on a print support (210), which is designed to support a cell element (102) or cell stack (104) of the energy store (100), a first paste (121) to a first partial electrode layer (111) of an electrode layer (101) of the Forming cell elements (102) or cell stacks (104); and Screen printing of a second paste (122), which has a different composition from the first paste (121), directly onto the first partial electrode layer (111) in order to form a second partial electrode layer (112) of the electrode layer (101).

Procedure according to Claim 1 wherein the first paste (121) has an idle viscosity of at least 200 Pa s.

Procedure according to Claim 1 or 2 wherein the first partial electrode layer (111) is formed with a thickness of at least 50 µm.

Method according to one of the preceding claims, wherein the second partial electrode layer (112) is formed with a thickness of at most 50 µm, in particular at most 20 µm.

Method according to one of the preceding claims, wherein the second paste (122) has a higher content of an ionic conductor or a lower content of an electrical conductor than the first paste (121).

Method according to one of the Claims 1 until 4th wherein the second paste has a lower content of an ionic conductor or a higher content of an electrical conductor than the first paste.

Method according to one of the preceding claims, wherein the second paste (122) has a higher solvent content than the first paste (121).

Method according to one of the preceding claims, further comprising a step of drying the first electrode partial layer (111) for a drying time of at most 10 minutes, in particular at most 6 minutes, before the second paste (122) is screen-printed.

Energy storage device (100) which has a cell element (102) or a cell stack (104) with a screen-printed first electrode sub-layer (111) and a second electrode sub-layer (112) screen-printed on the first electrode sub-layer (111), the first electrode sub-layer (111) and the second partial electrode layer (112) are composed differently.

Energy storage (100) according to Claim 9 wherein the second partial electrode layer (112) is made thinner than the first partial electrode layer (111).

Energy storage (100) according to Claim 9 or 10 wherein the second partial electrode layer (112) has a higher content of an ionic conductor or a lower content of an electrical conductor than the first partial electrode layer (111).