DE102021109630A1

DE102021109630A1 - Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle und Batteriezelle

Info

Publication number: DE102021109630A1
Application number: DE102021109630.8A
Authority: DE
Inventors: Attila Farkas; Michael Buhl; Emmanuel Arras
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2022-10-20

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (1) angegeben, umfassend- Bereitstellen einer Folie (2), die eine erste Elektrodenschicht (3), eine erste Separatorschicht (4), eine zweite Elektrodenschicht (5) und eine zweite Separatorschicht (6) umfasst,- Strukturieren der Folie (2) derart, dass die Folie (2) eine Vielzahl an ersten Bereichen (8) und eine Vielzahl an zweiten Bereichen (9) umfasst, wobei die ersten Bereiche (8) dicker sind als die zweiten Bereiche (9), und- Aufwickeln der Folie (2) zu einem Elektrodenwickel (22), wobei der Elektrodenwickel (22) eine vieleckartige Form aufweist.Weiterhin wird eine Batteriezelle (1) angegeben.

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle angegeben. Darüber hinaus wird eine Batteriezelle angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, bei dem eine Batteriezelle erzeugt wird, die einen Bauraum besonders effizient nutzt. Des Weiteren soll eine derartige Batteriezelle angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Implementierungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Patentansprüche.
Zunächst wird das Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle erläutert. Bei der Batteriezelle handelt es sich beispielsweise um einen Akkumulator. Das heißt, die Batteriezelle ist beispielsweise ein einzelnes wieder aufladbares Speicherelement für elektrische Energie.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Folie bereitgestellt, die eine erste Elektrodenschicht, eine erste Separatorschicht, eine zweite Elektrodenschicht und eine zweite Separatorschicht umfasst.
Die Folie erstreckt sich beispielswese entlang einer Haupterstreckungsebene. Laterale Richtungen sind parallel zur Haupterstreckungsebene orientiert und eine vertikale Richtung senkrecht zu der Haupterstreckungsebene. Die Folie umfasst weiterhin beispielsweise eine Haupterstreckungsrichtung.
Die Folie weist eine Länge und eine Breite in lateralen Richtungen auf. Die Länge der Folie verläuft parallel zur Haupterstreckungsrichtung und die Breite der Folie verläuft senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung. Die Länge ist beispielsweise mindestens fünfmal größer als die Breite, insbesondere mindestens zehnmal größer.
Die erste Elektrodenschicht, die erste Separatorschicht, die zweite Elektrodenschicht und die zweite Separatorschicht sind beispielsweise in vertikaler Richtung übereinander gestapelt, insbesondere in der angegebenen Reihenfolge. Direkt benachbarte Schichten stehen beispielsweise in direktem Kontakt zueinander.
Beispielsweise weist die erste Elektrodenschicht eine Dicke auf, die kleiner als die zweite Elektrodenschicht ausgebildet ist. Zum Beispiel ist die Dicke der ersten Elektrodenschicht um mindestens 50% kleiner als die Dicke der zweiten Elektrodenschicht. Weiterhin ist eine Dicke der ersten Separatorschicht und/oder eine Dicke der zweiten Separatorschicht kleiner ausgebildet als die Dicke der ersten Elektrodenschicht und/oder die Dicke der zweiten Elektrodenschicht. Zum Beispiel ist die Dicke der ersten Separatorschicht und/oder die Dicke der zweiten Separatorschicht um mindestens 50% kleiner als die Dicke der ersten Elektrodenschicht und/oder die Dicke der zweiten Elektrodenschicht.
Beispielsweise weist die Folie eine Breite auf, die mindestens 40 mm und höchstens 300 mm, insbesondere 80 mm, ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Folie derart strukturiert, dass die Folie eine Vielzahl an ersten Bereichen und eine Vielzahl an zweiten Bereichen umfasst, wobei die ersten Bereiche dicker sind als die zweiten Bereiche. Die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche erstrecken sich jeweils über die gesamte Breite der Folie. Beispielsweise wird die Folie mittels einer Walze strukturiert. Eine Walzrichtung der Walze verläuft beispielsweise entlang der Haupterstreckungsrichtung.
Beispielsweise weisen die ersten Bereiche eine erste Dicke auf und die zweiten Bereiche eine zweite Dicke, wobei die Dicken in vertikaler Richtung verlaufen.
Die erste Dicke ist beispielsweise mindestens 5 % und höchstens 50 % größer als die zweite Dicke der zweiten Bereiche der Folie. Insbesondere ist die erste Dicke um etwa 17 % größer als die zweite Dicke. Beispielsweise ist die erste Dicke um mindestens 0,02 mm und höchstens 0,10 mm als die zweite Dicke, insbesondere um 0,056 mm.
Beim Strukturieren der Folie wird im Wesentlichen die zweite Elektrodenschicht komprimiert. „Im Wesentlichen“ bedeutet hier, dass beim Strukturieren der Folie, insbesondere bei der Erzeugung der zweiten Bereiche, die zweite Elektrodenschicht zu mindestens 20%, insbesondere mindestens 50%, komprimiert wird und die erste Elektrodenschicht zu höchstens 50%, insbesondere zu höchstens 20%.
Jeder erste Bereich weist beispielsweise ein Dickenprofil auf. Beispielsweise ist das Dickenprofil entlang der Haupterstreckungsrichtung spiegelsymmetrisch ausgebildet. In einem zentralen Bereich weist jeder erste Bereich beispielsweise eine maximale Dicke auf. Eine virtuelle Linie in vertikaler Richtung im Bereich der maximalen Dicke entspricht beispielsweise einer Spiegelschicht. Ausgehend von dieser virtuellen Linie nimmt die Dicke der Folie beispielsweise jeweils zu den angrenzenden zweiten Bereichen kontinuierlich ab.
Jeder zweite Bereich umfasst beispielsweise die zweite Dicke, die im Wesentlichen konstant ausgebildet ist. „Im Wesentlichen konstant“ bedeutet hier, dass die zweite Dicke eine Variation von höchstens 5% aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Folie zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt, wobei der aufgewickelte Elektrodenwickel eine vieleckartige Form aufweist. Die Folie wird beispielsweise entlang ihrer Breite um eine Wickelachse aufgewickelt.
Beispielsweise weist der Elektrodenwickel mit der vieleckartigen Form eine gerade Anzahl an Seitenflächen auf und eine gerade Anzahl an Kanten. Direkt benachbarte Seitenflächen des Elektrodenwickels mit der vieleckartigen Form sind beispielsweise durch jeweils eine der Kanten miteinander verbunden. Eine „vieleckartige Form“ bedeutet hier und im Folgenden beispielsweise, dass es sich bei den Kanten beispielsweise um abgerundete Kanten handelt.
Mit Vorteil vermitteln die ersten Bereiche, die dicker als die zweiten Bereiche ausgebildet sind, die vieleckartige Form des Elektrodenwickels.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Elektrodenwickel in ein Gehäuse eingesetzt, das eine vieleckartige Form aufweist. Die Batteriezelle umfasst beispielsweise den Elektrodenwickel und das Gehäuse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Batteriezelle durch das Einsetzen des Elektrodenwickels in das Gehäuse gebildet. Beispielsweise weisen der Elektrodenwickel und das Gehäuse dieselbe vieleckartige Form auf. Mit Vorteil kann damit der Platz im Gehäuse besonders gut durch den Elektrodenwickel ausgefüllt und genutzt werden.
Gewöhnliche Elektrodenwickel, die mit einer mehrschichtigen Folie gebildet sind, umfassen beispielsweise konstante Schichtdicken. Wird eine derartige Folie mit konstanten Schichtdicken aufgewickelt, weist der gewöhnliche Elektrodenwickel eine zylindrische Form auf. Wird beispielsweise ein quadratischer Bauraum, insbesondere ein quadratisches Gehäuse, zur Verfügung gestellt, bleiben beispielsweise 27 % des Bauraums ungenutzt. Durch einen Elektrodenwickel mit der vieleckartigen Form kann der Bauraum effizienter genutzt werden. Beispielsweise, wenn die Batteriezelle eine hexagonale Symmetrie aufweist, sind mit Vorteil 10% des Bauraums mehr benutzbar, als bei einer zylindrischen Form.
Bei einer Batteriezelle mit verschiedenen Bereichen mit unterschiedlicher Dicke kann weiterhin mit Vorteil eine innere Temperatur einer derartigen Batteriezelle im Betrieb gesenkt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens sind die ersten Bereiche an Kanten des Elektrodenwickels mit der vieleckartigen Form angeordnet. Beispielsweise kann jeweils eine virtuelle Linie von den Kanten zu einem Mittelpunkt des Elektrodenwickels gezogen werden. Beispielsweise sind mehrere der ersten Bereiche auf jeder der virtuellen Linien angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens sind die zweiten Bereiche an Seitenflächen des Elektrodenwickels mit der vieleckartigen Form angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist die erste Separatorschicht zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet und die zweite Separatorschicht ist auf der zweiten Elektrodenschicht angeordnet.
Die erste Elektrodenschicht ist beispielsweise mit einem aktiven Elektrodenmaterial gebildet oder ist daraus geformt. Insbesondere ist die erste Elektrodenschicht mit einem aktiven Kathodenmaterial geformt oder ist daraus gebildet. In diesem Fall handelt es sich bei der ersten Elektrodenschicht um eine Kathodenschicht der Batteriezelle. Die Kathodenschicht weist beispielsweise ein Kathodenaktivmaterial auf. Das Kathodenaktivmaterial kann eine Vielzahl von Partikeln aufweisen, die in einen Elektrodenbinder eingebunden sind. Das Kathodenaktivmaterial kann ein Schichtoxid wie beispielsweise ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), ein Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), ein Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Oxid (LNCO) aufweisen. Das Schichtoxid kann insbesondere ein überlithiiertes Schichtoxid (OLO, overlithiated layered oxide) sein. Andere geeignete Kathodenaktivmaterialien sind Verbindungen mit Spinellstruktur wie z.B. Lithium-Mangan-Oxid (LMO) oder Lithium-Mangan-Nickel-Oxid (LMNO), oder Verbindungen mit Olivinstruktur wie z.B. Lithium-Eisen-Phosphat (LFP, LiFePO₄) oder Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat (LMFP).
Die Kathodenschicht kann z. B. durch Auftragen einer Aufschlämmung einer Mischung aus dem Kathodenaktivmaterial, einem leitfähigen Material und einem Bindemittel auf einen Kathodenstromkollektor hergestellt werden. Beispielsweise wird das Kathodenaktivmaterial, insbesondere die Mischung, auf beide Hauptflächen des Kathodenstromkollektors aufgebracht. Nachfolgend kann eine derartige Anordnung durch Trocknen und Pressen zur Kathodenschicht geformt werden. Je nach Bedarf kann der Mischung ein Füllstoff zugesetzt werden.
Der Kathodenstromkollektor weist beispielsweise eine Dicke von mindestens 3 µm bis höchstens 500 µm auf. Für den Kathodenstromkollektor kann ohne Einschränkung ein Material verwendet werden, das in der Batteriezelle keine chemischen Veränderungen induziert und eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Zum Beispiel können Aluminium, rostfreier Stahl, Nickel, Titan, verkapselter Kohlenstoff, ein oberflächenbehandeltes Material aus Aluminium oder rostfreiem Stahl mit Kohlenstoff, Nickel, Titan, Silber oder ähnliche Materialien verwendet werden. Eine Haftfähigkeit des Kathodenaktivmaterials kann durch die Ausbildung einer Prägung auf einer oder beiden der Hauptflächen des Kathodenstromkollektors erhöht werden. Der Kathodenstromkollektor liegt beispielsweise in Form eines Films, eines Blatts, einer Folie, eines Netzes, eines porösen Materials, eines geschäumten Materials, eins nicht gewebten Materials oder ähnlichen Materialien vor.
Die zweite Elektrodenschicht ist beispielsweise mit einem aktiven Elektrodenmaterial gebildet oder ist daraus geformt. Insbesondere ist die zweite Elektrodenschicht mit einem aktiven Anodenmaterial geformt oder ist daraus gebildet. In diesem Fall handelt es sich bei der zweiten Elektrodenschicht um eine Anodenschicht der Batteriezelle. Die Anodenschicht weist beispielsweise ein Anodenaktivmaterial auf, das beispielsweise ein Material aus der Gruppe bestehend aus kohlenstoffhaltigen Materialien, Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Aluminiumlegierungen, Indium, Indiumlegierungen, Zinn, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon umfasst. Insbesondere ist das Anodenaktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fulleren, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Silizium, oberflächenbeschichteten Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Lithium, Aluminiumlegierungen, Indium, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon.
Die Anodenschicht kann durch Auftragen des Anodenaktivmaterials auf einen Anodenstromkollektor hergestellt werden. Beispielsweise wird das Anodenaktivmaterial auf beide Hauptflächen des Anodenstromkollektors aufgebracht. Nachfolgend kann eine derartige Anordnung durch Trocknen und Pressen zur Anodenschicht geformt werden. Ein leitfähiges Material, ein Bindemittel, ein Füllstoff und/oder andere Materialien können je nach Bedarf selektiv zum Anodenaktivmaterial hinzugefügt werden.
Der Anodenstromkollektor weist beispielsweise eine Dicke von mindestens 3 µm bis höchstens 500 µm auf. Für den Anodenstromkollektor kann ein Material verwendet werden, das in der Batteriezelle keine chemischen Veränderungen induziert und eine elektrische Leitfähigkeit besitzt. Zum Beispiel können Kupfer, Edelstahl, Aluminium, Nickel, Titan, kalzinierter Kohlenstoff, ein oberflächenbehandeltes Material aus Kupfer oder Edelstahl mit Kohlenstoff, Nickel, Titan, Silber, eine Aluminium-Cadmium-Legierung und/oder ähnliche Materialien verwendet werden. Wie beim Kathodenstromkollektor kann auch beim Anodenstromkollektor eine Haftfähigkeit des Anodenaktivmaterials durch die Ausbildung einer Prägung auf einer oder beiden der Hauptflächen des Anodenstromkollektors erhöht werden. Der Anodenstromkollektor liegt beispielsweise in Form eines Films, eines Blatts, einer Folie, eines Netzes, eines porösen Materials, eines geschäumten Materials, eines nicht gewebten Materials oder ähnlichen Materialien vor.
Die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht ist beispielsweise mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet oder ist daraus geformt. Die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht weist ein Material auf, das für Lithiumionen durchlässig, aber für Elektronen undurchlässig ist. Als erste Separatorschicht und/oder zweite Separatorschicht können Polymere eingesetzt werden, insbesondere ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, Polyacrylnitrilen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinyliden-Hexafluoropropylen, Polyetherimid, Polyimid, Aramid, Polyether, Polyetherketon, synthetische Spinnenseide oder Mischungen davon. Die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht kann optional zusätzlich mit keramischem Material und einem Binder beschichtet sein, beispielsweise basierend auf Al₂O₃.
Für die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht kann beispielsweise eine für Elektronen isolierende Dünnschicht mit hoher Ionen-Durchlässigkeit und mechanischer Festigkeit verwendet werden. Ein Porendurchmesser der ersten Separatorschicht und/oder der zweiten Separatorschicht beträgt beispielsweise mindestens 0,01 und höchstens 10 µm. Die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht weist eine Dicke von mindestens 5 und höchstens 300 µm auf. Für die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht kann beispielsweise ein Polymer auf Olefinbasis, wie chemikalienbeständiges und hydrophobes Polypropylen oder ähnliches, ein Blatt oder ein Vlies, das unter Verwendung von Glasfasern, Polyethylen oder Ähnlichem hergestellt wird, verwendet werden. Wenn ein Festelektrolyt, wie z. B. ein Polymer, als Elektrolyt verwendet wird, kann der Festelektrolyt auch als erste Separatorschicht und/oder zweite Separatorschicht fungieren. Beispielsweise kann eine Polyethylenfolie, eine Polypropylenfolie oder eine mehrschichtige Folie, die durch Kombination der Folien erhalten wird, oder eine Polymerfolie für einen Polymerelektrolyten oder einen Polymerelektrolyten vom Geltyp, wie Polyvinylidenfluorid, Polyethylenoxid, Polyacrylnitril oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer, verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist der Elektrodenwickel mit der vieleckartigen Form eine hexagonale Symmetrie oder eine oktogonale Symmetrie auf. Eine Haupterstreckungsrichtung des Elektrodenwickels im aufgewickelten Zustand, insbesondere auch die Haupterstreckungsrichtung der Batteriezelle, erstreckt sich beispielsweise entlang der Breite der Folie. Ein Querschnitt senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung des Elektrodenwickels, insbesondere auch der Batteriezelle, weist beispielsweise die hexagonale Symmetrie auf oder die oktogonale Symmetrie auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens vergrößern oder verkleinern sich Abstände direkt benachbarter erster Bereiche von einem ersten Endbereich zu einem zweiten Endbereich der Folie. Die Folie wird beispielsweise startend von dem ersten Endbereich bis zu dem zweiten Endbereich aufgewickelt. Der erste Endbereich ist beispielsweise direkt an der Wickelachse angeordnet und der zweite Endbereich an einer Außenfläche des Elektrodenwickels. Die Abstände vergrößern sich zum Beispiel von dem ersten Endbereich zu dem zweiten Endbereich.
Weiterhin weisen die ersten Bereiche zum Beispiel jeweils eine Länge auf. Beispielsweise nehmen die Längen der ersten Bereiche von dem ersten Endbereich zum zweiten Endbereich zu. Die zweiten Bereiche weisen beispielsweise jeweils eine Länge auf. Beispielsweise nehmen die Längen der zweiten Bereiche von dem ersten Endbereich zum zweiten Endbereich zu.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Folie mittels einer Walze strukturiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche in Abhängigkeit von einem Druck der Walze auf die Folie beim Strukturieren erzeugt. Der Druck der Walze wirkt in vertikaler Richtung auf die Folie. Durch den Druck werden beispielsweise die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht komprimiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Walze Ausnehmungen auf und die ersten Bereiche werden durch die Ausnehmung erzeugt. In dieser Ausführungsform weist die Walze beispielsweise einen Umfang auf, der gleich groß wie die Länge der Folie ist, die für eine Batteriezelle benötigt wird. Die Ausnehmungen entsprechen hierbei dem Dickenprofiel der ersten Bereiche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Folie beim Aufwickeln auf eine vieleckige Basis aufgewickelt. Die vieleckige Basis ist beispielsweise eine hexagonale Basis oder eine oktogonale Basis. Die Wickelachse ist beispielsweise durch die vieleckige Basis gebildet. Die vieleckige Basis weist beispielsweise eine hexagonale Form oder eine oktogonale Form auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist ein Anfangsbereich der Folie keine ersten Bereiche auf. Beispielsweise wird eine Form der vieleckigen Basis auf zumindest teilweise auf die Form des aufgewickelten Elektrodenwickels übertragen.
Der Anfangsbereich weist beispielsweise eine Länge auf, die mindestens 25% einer Länge der Folie entspricht.
Des Weiteren wird eine Batteriezelle angegeben, die beispielsweise durch das hier beschriebene Verfahren herstellbar ist. Demzufolge sind die Merkmale in Verbindung mit dem Verfahren auch in Verbindung mit der Batteriezelle beschrieben und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Batteriezelle eine Folie, die eine erste Elektrodenschicht, eine erste Separatorschicht, eine zweite Elektrodenschicht und eine zweite Separatorschicht. Die Folie ist in Form eines Elektrodenwickels geformt, wobei der Elektrodenwickel eine vieleckartige Form aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Batteriezelle außerdem ein Gehäuse, das eine dem Elektrodenwickel entsprechende vieleckige Form aufweist. Dadurch, dass das Gehäuse und der Elektrodenwickel die gleiche vieleckige Form aufweisen, kann der durch das Gehäuse gebildete Bauraum durch den Elektrodenwickel besonders effektiv ausgenutzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weisen das Gehäuse und der Elektrodenwickel jeweils eine hexagonale Form auf. Bei dieser Ausgestaltung wird der innerhalb des Gehäuses vorhandene Bauraum besonders gut ausgenutzt. Weiterhin können mehrere Batteriezellen, die jeweils das hexagonale Gehäuse aufweisen, besonders platzsparend in einem Batteriemodul angeordnet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1, 2 und 3 einen Verfahrensschritt bei dem Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
4 und 5 einen Verfahrensschritt bei dem Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
6 und 7 eine Batteriezelle gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel,
8 und 9 eine Anordnung von Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel,
10 ein Vergleichsbeispiel einer zylindrischen Batteriezelle, und
11 ein Temperatur Dicken Diagramm einer Batteriezelle.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Bei dem Verfahrensschritt gemäß den 1 und 2 wird eine Folie 2 bereitgestellt, die eine erste Elektrodenschicht 3, eine erste Separatorschicht 4, eine zweite Elektrodenschicht 5 und eine zweite Separatorschicht 6 umfasst. Die Schichten sind in der angegebenen Reihenfolge übereinander angeordnet.
Nachfolgend wird die Folie 2 mittels einer Walze 4 derart strukturiert, dass die Folie 2 eine Vielzahl an ersten Bereichen 8 und eine Vielzahl an zweiten Bereichen 9 umfasst.
Die Walze 4 weist zur Erzeugung der ersten Bereiche 8 Ausnehmungen 13 auf. Die Walze 4 wird beim Strukturieren gegen die Folie 2 gepresst. Durch den Druck, den die Walze 4 in einem Bereich der keine Ausnehmungen 13 aufweist auf die Folie 2 auswirkt, werden die zweiten Bereiche 9 durch Kompression der Folie 2 erzeugt. In einem Bereich der Walze 4 der Ausnehmung 13 umfasst wird die Folie 2 nicht so stark komprimiert wie im Bereich ohne Ausnehmungen 13. Damit werden die ersten Bereiche 8 erzeugt, die dicker sind als die zweiten Bereiche 9.
Beispielsweise führt die Walze 4 eine Drehbewegung 17 aus. Zeitgleich wird die Folie 2 unter der Walze 4 durch einen Vorschub 16 unter der Walze 4 hinwegbewegt.
Die ersten Bereiche 8 und die zweiten Bereiche 9 erstrecken sich jeweils über eine gesamte Breite der Folie 2. Weiterhin vergrößern sich Abstände benachbarter erster Bereiche 8 von einem ersten Endbereich 14 der Folie 2 zu einem zweiten Endbereich 15. Damit vergrößern sich auch die Längen der zweiten Bereiche 9 vom ersten Endbereich 14 zum zweiten Endbereich 15.
In Verbindung mit 3 ist eine Vergrößerung des Abschnitts A, der in 1 gekennzeichnet ist, dargestellt. Der dargestellte erste Bereich 8 weist ein Dickenprofil auf, das spiegelsymmetrisch ausgebildet ist. In einem zentralen Bereich weist der erste Bereich 8 eine maximale Dicke auf, durch die eine virtuelle Linie 20 gezogen ist. Diese virtuelle Linie 20 entspricht hier einer Spiegelebene. Ausgehend von dieser virtuellen Linie 20 nimmt die Dicke der Folie 2 jeweils zu den angrenzenden zweiten Bereichen 9 kontinuierlich ab, bis die Dicke des zweiten Bereiches 9 erreicht ist.
Die Walze 4 komprimiert hier im Wesentlichen die zweite Elektrodenschicht 5. „Im Wesentlichen“ bedeutet hier, dass die erste Elektrodenschicht 3 nur zu höchstens 5% komprimiert wird.
Bei dem Verfahrensschritt gemäß den 4 und 5 wird die Walze 4 in Abhängigkeit eines Steuerungsprofils 18 auf die Folie 2 aufgepresst. Damit werden die ersten Bereiche 8 und die zweiten Bereiche 9 in Abhängigkeit des Steuerungsprofils 18 erzeugt. Das Steuerprofil steuert hierbei einen Aufpressdruck der Walze 4 auf die Folie 2.
Nachfolgend wird die Folie 2 zu einem Elektrodenwickel 22 aufgewickelt. Die Folie 2 wird um eine Wickelachse startend von dem ersten Endbereich 14 zu dem Elektrodenwickel 22 aufgewickelt. der aufgewickelte Elektrodenwickel 22 weist durch die verschiedenen Dicken der ersten Bereiche 8 und der zweiten Bereiche 9 eine vieleckartige Form auf.
Gemäß den 6 und 7 ist ein Querschnitt senkrecht zu einer Wickelachse durch die Batteriezelle 1 gezeigt.
Die Batteriezelle 1 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6 einen Elektrodenwickel 22 und ein Gehäuse 23 auf. Der Elektrodenwickel 22 wird in das Gehäuse 23 eingesetzt. Der Elektrodenwickel 22 und das Gehäuse 23 weisen dieselbe vieleckartige Form auf. Damit weist die Batteriezelle 1 eine vieleckartige Form mit einer hexagonalen Symmetrie auf. Hierbei sind die ersten Bereiche 8 an Kanten 12 der Batteriezelle 1 angeordnet, sodass sich eine hexagonale Symmetrie ergibt. In dem Querschnitt sind weiterhin drei virtuelle Linien 20 markiert, die jeweils durch zwei gegenüberliegende Kanten 12 verlaufen. Die ersten Bereiche 8 sind ausschließlich auf diesen virtuellen Linien 20 angeordnet. Hierbei sind auf jeder der virtuellen Linien 20 mehrere der ersten Bereiche 8 angeordnet.
Im Unterschied zur Batteriezelle 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6 umfasst die Batteriezelle 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 7 eine hexagonale Basis 19. Die Folie 2 ist auf diese hexagonale Basis 19 aufgewickelt.
In Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der 8 und 9 sind mehrere der Batteriezellen 1 in einer Honigwabenstruktur angeordnet. Jede der Batteriezellen 1 weist zwei gegenüberliegende Grundflächen 10 auf, die durch Seitenflächen 11 miteinander verbunden sind.
In dem Vergleichsbeispiel gemäß der 10 ist eine Batteriezelle mit einem zylindrischen Elektrodenwickel in einem hexagonalen Gehäuse dargestellt. Die unbefüllten Bereiche 21 stehen hier nicht zur Energiespeicherung zur Verfügung.
Das Diagramm in 11 zeigt zwei Kurven, wobei auf der y-Achse eine Temperatur T in Kelvin und auf der x-Achse eine Dicke d in cm aufgetragen sind. Hierbei entspricht die Dicke d einer Anodenschicht, die insbesondere dicker als eine Kathodenschicht ausgebildet ist. Die Temperatur entspricht einer inneren Temperatur der Batteriezelle 1 im Betrieb. Die zwei Kurven entsprechen einer minimalen inneren Temperatur und einer maximalen inneren Temperatur.
Durch die vergleichsweise dicke Anodenschicht kann mit Vorteil eine innere Temperatur einer derartigen Batteriezelle 1 im Betrieb gesenkt werden. Demzufolge senken die ersten Bereiche 8 die innere Temperatur.
Bezugszeichenliste

1: Batteriezelle
2: Folie
3: erste Elektrodenschicht
4: erste Separatorschicht
5: zweite Elektrodenschicht
6: zweite Separatorschicht
7: Walze
8: erster Bereich
9: zweiter Bereich
10: Grundfläche
11: Seitenfläche
12: Kante
13: Ausnehmung
14: erster Endbereich
15: zweiter Endbereich
16: Vorschub
17: Drehbewegung
18: Steuerungsprofil
19: Basis
20: virtuelle Linie
21: unbefüllter Bereich
22: Elektrodenwickel
23: Gehäuse

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (1), umfassend - Bereitstellen einer Folie (2), die eine erste Elektrodenschicht (3), eine erste Separatorschicht (4), eine zweite Elektrodenschicht (5) und eine zweite Separatorschicht (6) umfasst, - Strukturieren der Folie (2) derart, dass die Folie (2) eine Vielzahl an ersten Bereichen (8) und eine Vielzahl an zweiten Bereichen (9) umfasst, wobei die ersten Bereiche (8) dicker sind als die zweiten Bereiche (9), und - Aufwickeln der Folie (2) zu einem Elektrodenwickel (22), wobei der Elektrodenwickel (22) eine vieleckartige Form aufweist.
Verfahren gemäß dem Anspruch 1, wobei - der Elektrodenwickel (22) in ein Gehäuse (23) eingesetzt wird, das eine vieleckartige Form aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei - die ersten Bereiche (8) an Kanten (12) des Elektrodenwickels (22) mit der vieleckartigen Form angeordnet sind, und - die zweiten Bereiche (9) an Seitenflächen (11) des Elektrodenwickels (22) mit der vieleckartigen Form angeordnet sind.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die erste Separatorschicht (4) zwischen der ersten Elektrodenschicht (3) und der zweiten Elektrodenschicht (5) angeordnet ist, und - die zweite Separatorschicht (6) auf der zweiten Elektrodenschicht (5) angeordnet ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektrodenwickel (22) mit der vieleckartigen Form eine hexagonale Symmetrie aufweist oder eine oktogonale Symmetrie aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich Abstände direkt benachbarter erster Bereiche (8) von einem ersten Endbereich (14) zu einem zweiten Endbereich (15) der Folie (2) vergrößern oder verkleinern.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Folie (2) mittels einer Walze (7) strukturiert wird, und - die ersten Bereiche (8) und die zweiten Bereiche (9) in Abhängigkeit von einem Druck der Walze (7) auf die Folie (2) beim Strukturieren erzeugt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei - die Folie (2) mittels einer Walze (7) strukturiert wird, - die Walze (7) Ausnehmungen (13) aufweist, und - die ersten Bereiche (8) durch die Ausnehmungen (13) erzeugt werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Folie (2) beim Aufwickeln auf eine vieleckartige Basis (19) aufgewickelt wird.
Verfahren gemäß dem Anspruch 9, wobei ein Anfangsbereich der Folie (2) keine ersten Bereiche (8) aufweist.
Batteriezelle (1) mit einer Folie (2), die eine erste Elektrodenschicht (3), eine erste Separatorschicht (4), eine zweite Elektrodenschicht (5) und eine zweite Separatorschicht (6) umfasst, wobei die Folie (2) in Form eines Elektrodenwickels (22) geformt ist und der Elektrodenwickel (22) eine vieleckige Form aufweist.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 11, die ein Gehäuse (23) aufweist, das eine dem Elektrodenwickel (22) entsprechende vieleckige Form aufweist.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 12, wobei das Gehäuse (23) und der Elektrodenwickel (22) jeweils eine hexagonale Form aufweisen.