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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trägerfolie für eine Elektrode, eine Energiespeichereinheit sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode.
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Unabhängig vom Zelltyp besteht die kleinste Einheit einer Lithiumionenzelle aus zwei Elektroden und einem Separator, der die Elektroden voneinander trennt. Dazwischen befindet sich das ionenleitfähige Elektrolyt. Die Elektroden werden durch beschichtete Trägerfolien gebildet. Beim Kalandrieren wird die beschichtete Trägerfolie durch ein oder mehrere rotierende Walzenpaare verdichtet. In diesem Prozess kann beispielsweise eine Porosität der Beschichtung eingestellt werden. Hierbei besteht allerdings oft das Problem, dass es zu unerwünschten Verformungen der Folie kommt. Insbesondere im Übergangsbereich zwischen den beschichteten und den unbeschichteten Bereichen der Trägerfolie entstehen in den Bereichen ohne Beschichtung durch die Krafteinleitung z. B. Wellen oder Ausbeulungen etc., welche zu Qualitätseinbußen führen und unter anderem auch eine Weiterverarbeitung der Trägerfolien erschweren. So können sich durch die Vorschädigung in nachgelagerten Prozessschritten, beispielsweise beim Zuschneiden der Folien, Risse und dergleichen bilden. Auch eine Schweißbarkeit 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 nicht beschichteten Bereiche der Trägerfolie vor. Prozesstechnisch ist dies aber aufwendig und zudem schwer steuerbar. Außerdem ist nicht sichergestellt, dass die vorgenannten Probleme wirklich vermieden werden können.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Trägerfolie, eine Energiespeichereinheit sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode anzugeben, wobei die vorgenannten Probleme auf einfache und wirkungsvolle Weise beseitigt werden sollen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Trägerfolie gemäß Anspruch 1, durch eine Energiespeichereinheit gemäß Anspruch 7 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß ist eine Trägerfolie einer oder für eine Elektrode, wobei die Trägerfolie zur ein- oder beidseitigen Beschichtung vorgesehen ist, aus einem Verbundwerkstoff gebildet, welcher zumindest zwei Materialien aufweist, wobei ein erstes Material ein Metall ist, und wobei ein zweites Material Kohlenstoff ist. Ein Verbundmaterial oder ein Verbundwerkstoff, auch Kompositwerkstoff genannt, ist ein Werkstoff aus zwei oder mehr verbundenen Materialien, welcher andere Werkstoffeigenschaften besitzt als seine einzelnen Komponenten. Zweckmäßigerweise wird vorliegend über den Kohlenstoffanteil der Elastizitätsmodul gegenüber einer Trägerfolie, welche nur aus dem Metall besteht, erhöht. Dabei geht es bei dem Aufbau des Verbundwerkstoffs nicht um die Beeinflussung elektrischer Kennwerte der Trägerfolie, sondern vornehmlich um eine Optimierung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere vor dem Hintergrund möglicher Probleme, die sich beim Walzen oder Kalandrieren ergeben können. Wie eingangs erwähnt, besteht das Problem, dass es zu unerwünschten Verformungen der Trägerfolie beim Walzen/Kalandrieren kommt. Beim Verpressen der Trägerfolien mittels Walzen werden hohe Linienlasten appliziert. Durch plastische Verformung dehnt sich der beschichtete Bereich samt Trägerfolie in Bahnrichtung aus. Die unbeschichteten Randbereiche der Trägerfolie dehnen sich nicht in gleichem Maße aus. In der Folge entstehen Falten, Wellen oder Ausbeulungen am Übergang zwischen den beschichteten und den unbeschichteten Bereichen, welche zu Qualitätseinbußen führen und unter anderem auch die Weiterverarbeitung der Trägerfolien erschweren. Durch eine Erhöhung des Elastizitätsmoduls kann eine faltenreduzierte Kalandrierung von Trägerfolien bzw. Elektroden erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Verbundwerkstoff ein Teilchenverbundwerkstoff oder ein Faserverbundwerkstoff. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Material Aluminium, wobei das erste Material die Matrix bildet, in welcher das zweite Material eingebettet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerfolie eine Trägerfolie zum Herstellen einer Elektrode für eine Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, einer Lithium-Schwefel-Batteriezelle oder einer Eisen-Phosphat-Batteriezelle. Alternativ kann die Trägerfolie auch zur Herstellung anderer Typen von Energiespeichereinheiten, wie beispielsweise Kondensatoren oder Superkondensatoren verwendet werden.
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Abhängig davon, ob es sich bei der Trägerfolie um eine Trägerfolie für die Anode oder für die Kathode, beispielsweise einer Batteriezelle, wie einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, 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. Die vorgeschlagene Verstärkungswirkung hat sich insbesondere für Aluminiumfolien als vorteilhaft erwiesen. Gemäß einer Ausführungsform kann das erste Material auch Kupfer bzw. ein Kupferwerkstoff sein.
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Bevorzugte Foliendicken schwanken, je nach (Zell-)Design, beispielsweise zwischen etwa 6 µm und 25 µm.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden als zweites Material Kohlenstoffnanoröhren verwendet. Kohlenstoffnanoröhren (engl. CNT, carbon nanotubes) sind mikroskopisch kleine rohrförmige Gebilde aus Kohlenstoff. Unterschieden wird zwischen ein- und mehrwandigen (Single Wall CNT, Multi Wall CNT), zwischen offenen oder geschlossenen Röhren (mit einem Deckel, der einen Ausschnitt aus einer Fullerenstruktur hat) und zwischen leeren und gefüllten Rohren (beispielsweise gefüllt mit anderem Werkstoffen). Sämtliche der vorgenannten Ausführungsformen sind vorliegend verwendbar. Der Kompositwerkstoff AI-CNT (AI - Aluminium) weist höhere Elastizitätsmodule als die bekannten Materialien auf, welche zur Herstellung von Trägerfolien der in Rede stehenden Art derzeit verwendet werden. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere Kohlenstoffnanoröhren aufgrund ihrer Geometrie und Größe zur Verwendung in den sehr dünnen Trägerfolien, wie sie für Elektroden von beispielsweise Lithiumionenzellen eingesetzt werden, geeignet sind.
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Zweckmäßigerweise liegt der Anteil des zweiten Materials bei bis zu 3 Gew.-%, bevorzugt bei bis zu 2 Gew.-%, besonders bevorzugt bei bis zu 1,6 Gew.-%. Es hat sich herausgestellt, dass bei Umsetzung der vorgenannten Bereiche ein guter Kompromiss zwischen einer Erhöhung des Elastizitätsmoduls der Folie sowie dessen Verarbeitbarkeit gegeben ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Verbundwerkstoff eine homogene Struktur auf. Zweckmäßigerweise handelt es sich also nicht um eine Beschichtung mit einem Material, umfassend Kohlenstoffnanoröhren, oder dergleichen. Stattdessen ist das Material der Trägerfolie als solches als Verbundwerkstoff ausgebildet, welches bevorzugt Kohlenstoffnanoröhren umfasst, welche gleichverteilt bzw. homogen in eine Metall- bzw. Aluminiummatrix eingebettet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerfolie bandförmig ausgebildet. Diese Ausgestaltung ist sehr gut geeignet zur Verwendung in nachfolgenden Prozessschritten. Gemäß einer Ausführungsform weist die Trägerfolie eine Vielzahl von beschichteten Bereichen oder Abschnitten auf. Die Trägerfolie ist beispielweise streifenförmig beschichtet, wobei parallel nebeneinander mehrere Streifen, beabstandet zueinander angeordnet sein können. In Bahnrichtung kann die Beschichtung auch lediglich abschnittsweise aufgebracht sein, wodurch sich unbeschichtete und beschichtete Bereiche ergeben.
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Die Erfindung betrifft auch eine Energiespeichereinheit, insbesondere eine Energiespeicherzelle, wie einen Akkumulator, insbesondere eine Lithiumionenzelle oder auch eine Lithiumschwefelzelle etc., welche zumindest eine Elektrode umfasst, wobei die Elektrode eine erfindungsgemäße Trägerfolie aufweist. Die Energiespeichereinheit kann auch ein Kondensator oder ein Superkondensator sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Energiespeichereinheit ein Hochvoltspeicher, bevorzugt ausgebildet als Antriebs- oder Traktionsbatterie für ein teil- oder vollelektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, wie einen Personenkraftwagen, ein Motorrad oder ein Nutzfahrzeug. Die Energiespeichereinheit umfasst zweckmäßigerweise eine Vielzahl von Energiespeicherzellen bzw. Batteriemodule, welche ihrerseits aus einer Vielzahl von Energiespeicherzellen gebildet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Elektrode die Kathode. Alternativ kann die Elektrode auch die Anode sein. Wie eingangs erwähnt, werden als Trägerfolien für die Anode typischerweise Kupferfolien verwendet. Gemäß einer Ausführungsform kann das Metall des Verbundwerkstoffs auch Kupfer sein. Der Verbundwerkstoff umfasst gemäß einer Ausführungsform Kupfer und Kohlenstoffnanoröhren.
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Weiter alternativ kann auch für die Anode eine Trägerfolie aus einem Verbundmaterial verwendet werden, welches Aluminium umfasst, welches mit Kohlenstoff nanoröhren verstärkt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Kohlenstoffnanoröhren mit Materialien gefüllt, welche ausgelegt und geeignet sind, die elektrischen Eigenschaften der Trägerfolie zu beeinflussen oder zu bestimmen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Energiespeichereinheit als Flachzelle, Rundzelle oder prismatische Zelle ausgebildet. Die Bauformen können für die verschiedenen Arten von Energiespeichereinheiten umgesetzt werden. Die Elektrode kann gefaltet oder gewickelt oder alternativ verarbeitet sein. Hinsichtlich Bauform des Gehäuses der Energiespeichereinheit bzw. der Energiespeicherzelle selbst bestehen keine Einschränkungen.
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Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Energiespeichereinheit, wie beispielsweise einer Lithiumionenzelle, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- - Bereitstellen einer mit Kohlenstoff verstärkten Trägerfolie, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Trägerfolie;
- - Beschichten der Trägerfolie;
- - Verdichten der Beschichtung in einem Kalander unter Erhöhen einer an die, insbesondere neuen, Eigenschaften der Trägerfolie erhöhten Bahngeschwindigkeit.
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Die Trägerfolie aus einem Verbundwerkstoff zeichnet sich durch weniger Duktilität aus, wodurch eine Falten- oder Wellenbildung verringert werden kann. Dadurch können höhere Bahngeschwindigkeiten im Kalander oder Walzwerk erreicht werden. Dies wird vorliegend zweckmäßigerweise genutzt, um die Prozesszeiten zu verringern.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren zusätzlich oder alternativ den Schritt:
- - Verdichten der Beschichtung in dem Kalander unter Erhöhen einer an die neuen Eigenschaften der Trägerfolie erhöhten Linienlast.
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Damit ergeben sich zusätzliche Freiheitsgrade für die Verfahrensführung. Insbesondere können andere Porositäten eingestellt werden als mit konventionellen Trägerfolien.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens bzw. der Trägerfolien mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: schematische Ansichten zur Darstellung eines Walzvorgangs einer Trägerfolie;
- 2: eine schematische Ansicht einer Trägerfolie aus Standardmaterial im Schnitt (nach dem Walzen/Verdichten);
- 3: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trägerfolie (nach dem Walzen/Verdichten).
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht zwei Walzen 10 eines Walzwerks. Eine bandförmige Trägerfolie 20, welche beidseitig eine Beschichtung 40 aufweist, wird zwischen die Walzen 10 durchgeführt, wobei der Beschichtungswerkstoff 40 verdichtet wird. Dabei wird beispielsweise der Spalt zwischen den Walzen 10 und/oder die Anpresskraft kontrolliert. Durch den Druck wird die Beschichtung bzw. der Beschichtungswerkstoff 40 verdichtet und die Porosität nimmt ab. In der rechten Bildhälfte ist ein Schnitt quer zur Bahnrichtung B skizziert, vgl. das Bezugszeichen s1, wobei noch keine Verdichtung stattgefunden hat. Zu erkennen ist, dass die Trägerfolie 20 randseitig unbeschichtete Bereiche 26 aufweist.
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2 zeigt einen Schnitt durch die Trägerfolie 20 nach dem Durchfahren der Walzen 10, vgl. das Bezugszeichen s2 in der 1. Beim Durchfahren des Walzwerks dehnt sich die Trägerfolie 20 in Bahnrichtung aus und wird dabei in den beschichteten Abschnitten plastisch verformt. Die Streckgrenze des Materials der Trägerfolie 20 wird überschritten. In den Randbereichen 26 erfolgt keine Krafteinleitung, wodurch es gerade im Übergangsbereich 24 zwischen „beschichtet“ und „nicht beschichtet“ zu Problemen, wie dem skizzierten Faltenwurf, vgl. Bezugszeichen 22, kommt.
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3 zeigt nun eine Schnittansicht, wie aus der 2 bekannt. Als Material für die Trägerfolie 20 ist allerdings ein Verbundwerkstoff, umfassend bevorzugt Aluminium und bevorzugt Kohlenstoffnanoröhren, verwendet. Die Duktilität der Trägerfolie 20 ist deutlich geringer, wodurch eine Faltenbildung verringert oder komplett vermieden werden kann. Ein derartiger Werkstoff lässt sich stärker beanspruchen, was sich auch durch eine Akzeptanz von höheren Bahnspannungen äußert. Zweckmäßigerweise kann ein Walzwerk oder Kalander also entsprechend mit höheren Geschwindigkeiten und/oder höheren Linienlasten betrieben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Walze
- 20
- Trägerfolie
- 22
- Falten
- 24
- Übergangsbereich
- 26
- Randbereich
- 40
- Beschichtung, Beschichtungsmaterial
- B
- Bahnrichtung
- s1,s2
- Schnitte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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