DE102021111379A1

DE102021111379A1 - Elektrodenstapel für eine Batteriezelle, Batteriezelle und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102021111379A1
Application number: DE102021111379.2A
Authority: DE
Inventors: Attila Farkas; Emmanuel Arras
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-05-03
Filing date: 2021-05-03
Publication date: 2022-11-03

Abstract

Es werden ein Elektrodenstapel (20), eine Batteriezelle (100) sowie ein korrespondierendes Herstellungsverfahren angegeben. Der Elektrodenstapel (20) umfasst- eine Folie (10), umfassend eine erste Elektrodenschicht (11), eine zweite Elektrodenschicht (12) sowie eine zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht angeordnete Separatorschicht (13), wobei- die Folie (10) eine Länge (L) aufweist, entlang der die Folie (10) jeweils in vorgegebenen Abständen (d) gefaltet ist, derart, dass durch zwei aufeinanderfolgende Faltungen (0, 1, 2, 3, 4) jeweils ein Folienabschnitt (10a, 10b) definiert wird, wobei aufeinanderfolgende Folienabschnitte (10a, 10b) durch das Falten derart übereinander angeordnet sind, dass abwechselnd jeweils erste Elektrodenschichten (11) oder jeweils zweite Elektrodenschichten (12) einander zugewandt sind, und- eine Außenkante (3a) jeweils jeder zweiten aufeinanderfolgenden Faltung (0-4) einen gemeinsamen Pol (21a, 21b) des Elektrodenstapels (20) bildet.

Description

Es werden ein Elektrodenstapel für eine Batteriezelle, eine Batteriezelle mit dem Elektrodenstapel sowie ein korrespondierendes Herstellungsverfahren angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Elektrodenstapel für eine Batteriezelle sowie korrespondierend eine Batteriezelle und ein Herstellungsverfahren anzugeben, die zu einem besonders effizienten Betrieb der Batteriezelle beiträgt.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Implementierungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß eines ersten Aspekts wird ein Elektrodenstapel für eine Batteriezelle angegeben. Bei einer Batteriezelle handelt es sich hier und im Folgenden beispielsweise um einen Akkumulator. Eine Batteriezelle ist damit beispielsweise ein einzelnes wieder aufladbares Speicherelement für elektrische Energie.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist der Elektrodenstapel eine Folie auf.
Die Folie umfasst eine erste Elektrodenschicht, eine zweite Elektrodenschicht sowie eine zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht angeordnete Separatorschicht. Die Schichten sind beispielsweise übereinander gestapelt angeordnet, insbesondere in der angegebenen Reihenfolge.
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 des Elektrodenstapels bzw. 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 eine der 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. Das Kathodenaktivmaterial ist insbesondere kontinuierlich auf den Kathodenstromkollektor aufgebracht, d.h. die erste Elektrodenschicht weist Aktivmaterial bevorzugt vollflächig auf.
In einer Ausgestaltung weist der Kathodenstromkollektor auf lediglich einer Hauptfläche Kathodenaktivmaterial auf.
In anderen Ausgestaltungen weist die erste Elektrodenschicht jeweils einen ersten und einen zweiten Kathodenstromkollektor auf. Der erste Kathodenstromkollektor kann beispielhaft auf beiden Hauptflächen Kathodenaktivmaterial aufweisen. Der zweite Kathodenstromkollektor ist zur elektrischen Kontaktierung mittels einer Hauptfläche vorgesehen, die frei von Kathodenaktivmaterial ist. Lediglich auf einer gegenüberliegenden Hauptfläche, die dem ersten Kathodenstromkollektor zugewandt ist, weist der zweite Kathodenstromkollektor Kathodenaktivmaterial auf. In diesem Fall weist die erste Elektrodenschicht also in dieser Reihenfolge Kathodenaktivmaterial, den ersten Kathodenstromkollektor, Kathodenaktivmaterial und den zweiten Kathodenstromkollektor auf. In vorteilhafter Weise kann so zu einer Langlebigkeit der elektrischen Kontaktierung beigetragen werden.
Der Kathodenstromkollektor weist beispielsweise eine Dicke von mindestens 3 µm bis höchstens 500 µm auf. Für den Kathodenstromkollektor kann ein Material verwendet werden, das in der Batteriezelle keine chemischen Veränderungen induziert und eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Zum Beispiel können rostfreier Stahl, Aluminium, 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, eines Vliesstoffs 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 des Elektrodenstapels bzw. 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 eine der 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. Das Anodenaktivmaterial ist insbesondere kontinuierlich auf den Anodenstromkollektor aufgebracht, d.h. die zweite Elektrodenschicht weist Aktivmaterial bevorzugt vollflächig auf.
In einer Ausgestaltung weist der Anodenstromkollektor auf lediglich einer Hauptfläche Anodenaktivmaterial auf.
In anderen Ausgestaltungen weist die zweite Elektrodenschicht jeweils einen ersten und einen zweiten Anodenstromkollektor auf. Der erste Anodenstromkollektor kann beispielhaft auf beiden Hauptflächen Anodenaktivmaterial aufweisen. Der zweite Anodenstromkollektor ist zur elektrischen Kontaktierung mittels einer Hauptfläche vorgesehen, die frei von Anodenaktivmaterial ist. Lediglich auf einer gegenüberliegenden Hauptfläche, die dem ersten Anodenstromkollektor zugewandt ist, weist der zweite Anodenstromkollektor Anodenaktivmaterial auf. In diesem Fall weist die zweite Elektrodenschicht also in dieser Reihenfolge Anodenaktivmaterial, den ersten Anodenstromkollektor, Anodenaktivmaterial und den zweiten Anodenstromkollektor auf. In vorteilhafter Weise kann so zu einer Langlebigkeit der elektrischen Kontaktierung beigetragen 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 Vliesstoffs oder ähnlichen Materialien vor.
Die Separatorschicht ist beispielsweise mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet oder ist daraus geformt. Die Separatorschicht weist ein Material auf, das für Lithiumionen durchlässig, aber für Elektronen undurchlässig ist. Als 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 Separatorschicht kann optional zusätzlich mit keramischem Material und einem Binder beschichtet sein, beispielsweise basierend auf Al2O3.
Für die Separatorschicht kann beispielsweise eine isolierende Dünnschicht mit hoher Ionen-Durchlässigkeit und mechanischer Festigkeit verwendet werden. Ein Porendurchmesser der Separatorschicht beträgt beispielsweise mindestens 0,01 und höchstens 10 µm. Die Separatorschicht weist eine Dicke von mindestens 5 und höchstens 300 µm auf. Für die 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 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.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die Folie eine Länge auf, entlang der sie jeweils in vorgegebenen Abständen gefaltet ist, und zwar derart, dass durch zwei aufeinanderfolgende Faltungen jeweils ein Folienabschnitt definiert wird.
Ungefaltet erstreckt sich die Folie beispielsweise entlang einer Haupterstreckungsebene. Laterale Richtungen sind parallel zur Haupterstreckungsebene orientiert und eine vertikale Richtung senkrecht zu der Haupterstreckungsebene. Ungefaltet weist die Folie die Länge und eine Breite in lateralen Richtungen auf. Ungefaltet verläuft die Länge der Folie 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.
Beispielsweise weist die Folie eine Breite auf, die mindestens 40 mm und höchstens 300 mm, insbesondere 80 mm, ist.
Gefaltet ist ein jeweiliger Folienabschnitt senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung durch die Breite der Folie begrenzt, und parallel zur Haupterstreckungsrichtung durch wenigstens eine Faltung. Die Faltung erstreckt sich insbesondere über die gesamte Breite der Folie.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt sind aufeinanderfolgende Folienabschnitte durch das Falten derart übereinander angeordnet, dass abwechselnd jeweils erste Elektrodenschichten oder jeweils zweite Elektrodenschichten einander zugewandt sind. Insbesondere sind die Folienabschnitte in der vertikalen Richtung übereinander gestapelt. Die zwei ersten Elektrodenschichten oder die zwei zweiten Elektrodenschichten zweier aufeinanderfolgender Folienabschnitte stehen beispielsweise in direktem Kontakt zueinander.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt bildet eine Außenkante jeweils jeder zweiten aufeinanderfolgenden Faltung einen gemeinsamen Pol des Elektrodenstapels. Als Außenkante wird dabei die dem Elektrodenstapel an der entsprechenden Faltung abgewandte Seite der Folie bezeichnet. Dementgegen ist eine Innenkante der Folie an der entsprechenden Faltung von zwei aufeinanderfolgenden Folienabschnitten eingeschlossen.
In vorteilhafter Weise kann eine elektrische Kontaktierung des Elektrodenstapels gemäß dem ersten Aspekt seitlich erfolgen. Im Vergleich zu einer Längsanordnung der Kontakte kann so zu einem besonders effizienten Betrieb einer Batteriezelle beigetragen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt sind die vorgegebenen Abstände jeweils gleich. Beispielsweise betragen die vorgegebenen Abstände mindestens 40 mm und höchstens 300 mm. In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt betragen die vorgegebenen Abstände jeweils 80 mm.
Gemäß eines zweiten Aspekts wird eine Batteriezelle mit einem Elektrodenstapel gemäß dem ersten Aspekt angegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt umfasst die Batteriezelle ein Gehäuse mit einem Gehäusekörper zur Aufnahme des Elektrodenstapels. Der Gehäusekörper weist bevorzugt Stahl auf oder besteht daraus. Alternativ kann er eines der vorgenannten Materialien des Anoden- oder Kathodenstromkollektors aufweisen oder daraus bestehen, beispielhaft Aluminium.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt weist das Gehäuse einen Boden sowie einen gegenüber dem Boden angeordneten Deckel auf. Beispielhaft sind Boden und/oder Deckel Teil des Gehäusekörpers.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt ist der Elektrodenstapel derart in das Gehäuse eingebracht, dass ein bezogen auf die Länge der Folie erster Folienabschnitt sowie ein bezogen auf die Länge der Folie letzter Folienabschnitt zwischen dem Boden und dem Deckel angeordnet sind, insbesondere parallel zu Boden und Deckel. Der Elektrodenstapel kann hierzu in vertikaler Richtung durch Boden und Deckel insbesondere gepresst werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt weist das Gehäuse zwei voneinander elektrisch isolierte, gegenüberliegende Seitenflächen auf. Wenigstens eine der Seitenflächen ist hierzu beispielhaft vollumfänglich von einer isolierenden Hülle umgeben und mittels der Hülle mit dem restlichen Gehäuse verbunden. Die derart isolierte Seitenfläche erstreckt sich bevorzugt über einen Großteil der entsprechenden Gehäuseseite, insbesondere über mehr als 70% der Fläche, beispielhaft über mehr als 90% der Fläche.
Die Bezeichnungen Boden und Deckel sowie Seitenflächen dienen lediglich der besseren Erläuterung in ihrer Beziehung zueinander und sollen eine bestimmungsgemäße Orientierung der Batteriezelle nicht einschränken. Beispielhaft können Boden und Deckel auch vertauscht sein, oder als Seitenflächen agieren, und umgekehrt. So kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Elektrodenstapel insbesondere schräg zu der vertikalen Richtung durch die Seitenflächen gepresst werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt ist der Elektrodenstapel derart in das Gehäuse eingebracht, dass die durch die Außenkante der Faltungen gebildeten Pole des Elektrodenstapels durch jeweils eine der Seitenflächen elektrisch kontaktiert sind.
In vorteilhafter Weise kann eine elektrische Kontaktierung des Elektrodenstapels gemäß dem ersten Aspekt seitlich erfolgen, und zwar insbesondere über die Seitenflächen des Gehäuses, die die Außenkante der Faltungen kontaktieren. Im Vergleich zu einer Längsanordnung der Kontakte kann so zu einem besonders effizienten Betrieb einer Batteriezelle beigetragen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt ist eine der Seitenflächen durch den Gehäusekörper gebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt ist zwischen dem ersten Folienabschnitt und dem Boden sowie zwischen dem letzten Folienabschnitt und dem Deckel jeweils ein Isolatorplättchen angeordnet.
Gemäß eines dritten Aspekts wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle angegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem dritten Aspekt umfasst das Verfahren einen Schritt, bei dem eine Folie bereitgestellt wird. Die Folie umfasst eine erste Elektrodenschicht, eine zweite Elektrodenschicht sowie eine zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht angeordnete Separatorschicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem dritten Aspekt umfasst das Verfahren einen Schritt, bei dem die Folie entlang ihrer Länge jeweils in vorgegebenen Abständen gefaltet wird. Die Folie wird dabei derart gefaltet, dass durch zwei aufeinanderfolgende Faltungen jeweils ein Folienabschnitt definiert wird, wobei aufeinanderfolgende Folienabschnitte durch das Falten derart übereinander angeordnet werden, dass abwechselnd jeweils erste Elektrodenschichten oder jeweils zweite Elektrodenschichten einander zugewandt sind und eine Außenkante jeweils jeder zweiten aufeinanderfolgenden Faltung einen gemeinsamen Pol des Elektrodenstapels bildet. Das Falten kann auch als Z-Falten bezeichnet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem dritten Aspekt umfasst das Verfahren einen Schritt, bei dem ein Gehäuse mit einem Gehäusekörper zur Aufnahme des Elektrodenstapels bereitgestellt wird. Das Gehäuse weist einen Boden sowie einen gegenüber dem Boden angeordneten Deckel auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem dritten Aspekt umfasst das Verfahren einen Schritt, bei dem der Elektrodenstapel derart in das Gehäuse eingebracht wird, dass ein bezogen auf die Länge der Folie erster Folienabschnitt sowie ein bezogen auf die Länge der Folie letzter Folienabschnitt zwischen dem Boden und dem Deckel angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem dritten Aspekt weist das Gehäuse zwei voneinander elektrisch isolierte, gegenüberliegende Seitenflächen auf. Das Einbringen des Elektrodenstapels in das Gehäuse umfasst ferner ein elektrisches Kontaktieren der durch die Außenkante der Faltungen gebildeten Pole des Elektrodenstapels durch jeweils eine der Seitenflächen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine ungefaltete Folie zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine gefaltete Folie zur Herstellung eines Elektrodenstapels für eine Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3 und 4 eine Batteriezelle mit Elektrodenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel,
5 und 6 eine Batteriezelle sowie eine Batteriezellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
7 ein Ablaufdiagramm zur Herstellung einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Längliche Batteriezellen weisen einen elektrischen Kontakt (Pluspol bzw. Minuspol) üblicherweise jeweils am Anfang und am Ende (bezogen auf ihre Länge) auf, oder aber beide Kontakte sind am Anfang bzw. Ende angeordnet.
Durch die Anordnung der Kontakte ist auch ein länglicher Weg vorgegebenen, den Elektronen im bestimmungsgemäßen Betrieb der Batteriezelle zurücklegen, der mit einem erhöhten Widerstand und einer Aufheizung der Batteriezelle einhergeht. Durch die Aufheizung der Batteriezelle wird ein Lade- bzw. Entladeverhalten beeinträchtigt; beispielsweise verlängern sich Ladezeiten, oder eine Leistungsentnahme muss gedrosselt werden, um eine Überhitzung der Batteriezelle zu vermeiden.
Im Folgenden wird eine seitliche Kontaktierung einer Batteriezelle 100 (vgl. 5) vorgeschlagen.
Zu deren Herstellung, die anhand des Ablaufdiagramms der 7 näher beschrieben wird, wird zunächst (Schritt A) eine Folie 10 bereitgestellt.
Wie in 1 dargestellt weist die Folie 10 in einem ungefalteten Zustand in ihrer Haupterstreckungsrichtung eine Länge L und senkrecht hierzu eine Breite B auf. Wiederum senkrecht hierzu weist die Folie 10 eine erste Elektrodenschicht 11, eine Separatorschicht 13 sowie eine zweite Elektrodenschicht 12 auf, insbesondere in dieser Reihenfolge gestapelt. Wie im Allgemeinen Teil beschrieben kann es sich bei der ersten Elektrodenschicht 11 um eine Kathodenschicht und bei der zweiten Elektrodenschicht 12 um eine Anodenschicht handeln. Beispielhaft können die Schichten 11-13 separat bereitgestellt werden, etwa in Form von übereinandergelegten Anoden-, Kathoden- und Separatorbändern.
Wie anhand 2 dargestellt wird die Folie 10 in einem nachfolgenden Schritt (B) entlang ihrer Länge L jeweils in vorgegebenen Abständen d derart gefaltet, dass durch zwei aufeinanderfolgende Faltungen 0, 1, 2, 3, 4 jeweils ein Folienabschnitt 10a, 10b, 10c definiert wird. Die zwei aufeinanderfolgenden Folienabschnitte 10a und 10b sind etwa über die Faltung 0 miteinander verbunden. In dieser Ausführungsvariante werden die Folienabschnitte 10a, 10b durch das Falten senkrecht zur Haupterstreckungsebene der ungefalteten Folie 10 derart übereinander angeordnet, dass beispielhaft die Anodenschicht des Folienabschnitts 10a der Anodenschicht des Folienabschnitts 10b zugewandt ist, insbesondere, dass die Anodenschichten in direktem Kontakt zueinander stehen. Ein auf den Folienabschnitt 10b folgender Folienabschnitt, welcher durch die Faltungen 1, 2 definiert ist, ist dann mit seiner Kathodenschicht der Kathodenschicht des Folienabschnitts 10b zugewandt, insbesondere, stehen die Kathodenschichten in direktem Kontakt zueinander. Bei der derart gefalteten Folie 10 liegen also abwechselnd Anoden- und Kathodenschichten aufeinander.
Jede Faltung, hier anhand Faltung 0 erläutert, weist jeweils eine Seite der Folie 10 auf, die „innen“ bzgl. der zwei anliegenden Folienabschnitte 10a, 10b liegt, sowie eine gegenüberliegende Seite der Folie 10, die „außen“ bzgl. der zwei anliegenden Folienabschnitte 10a, 10b liegt. Eine „außen“ liegende Kante der Faltungen (hier anhand Faltung 3 dargestellt) wird nachfolgend als Außenkante (hier Außenkante 3a) bezeichnet. An den Außenkanten jeder zweiten aufeinanderfolgenden Faltung 0, 2, 4 ist in dieser Ausführungsvariante jeweils die Kathodenschicht der Folie 10 angeordnet, wohingegen auf der gegenüberliegenden Seite im Abstand d die Außenkanten jeder zweiten aufeinanderfolgenden Faltung 1, 3 jeweils die Anodenschicht der Folie 10 angeordnet ist. Die Außenkanten der Faltungen 0, 2, 4 bilden damit einen gemeinsamen Pluspol 21b (vgl. 3) der Folie 10. Die Außenkanten der Faltungen 1, 3 bilden ferner einen gemeinsamen Minuspol 21a (vgl. 3) der Folie 10. Die derart gefaltete Folie 10 wird nachfolgend als Elektrodenstapel 20 bezeichnet.
Wie anhand 3 dargestellt wird in einem nachfolgenden Schritt (C) ein Gehäuse 110 bereitgestellt, in das der Elektrodenstapel 20 in einem anschließenden Schritt (D) eingebracht wird. Das Gehäuse 110 ist hier lediglich zur besseren Übersicht aufgeschnitten dargestellt.
Das Gehäuse 110 weist einen Gehäusekörper 111 auf, der zur Aufnahme des Elektrodenstapels 20 eingerichtet ist. Das Gehäuse 100, beispielsweise der Gehäusekörper 111, weist einen Boden 112a sowie einen gegenüberliegend angeordneten Deckel 112b auf. Der Elektrodenstapel 20 wird derart in das Gehäuse 110 eingebracht, dass der bezogen auf die Länge L erste Folienabschnitt 10a sowie ein bezogen auf die Länge L letzter Folienabschnitt 10c (vgl. 2) jeweils im Wesentlichen parallel zu Boden 112a und Deckel 112b zwischen diesen angeordnet sind. Beispielhaft wird hierzu senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Folie 10 jeweils eine entgegenwirkende Kraft auf die Folienabschnitte 10a und 10c Kraft aufgebracht, so dass der Elektrodenstapel 20 in eine Höhe H gepresst ist, die im Wesentlichen einer Höhe H des Gehäusekörpers 111 entspricht, und der Elektrodenstapel 20 in den Gehäusekörper 111 eingeschoben und durch Boden 112a und Deckel 112b in Form gehalten werden kann.
Das Gehäuse 110 weist ferner zwei voneinander elektrisch isolierte, gegenüberliegende Seitenflächen 113a, 113b auf (vgl. 5). Beispielhaft ist die Seitenfläche 113b durch den Gehäusekörper 111 gebildet, in den die weitere Seitenfläche 113a isoliert eingebracht ist. In diesem Zusammenhang kann der Gehäusekörper 111 etwa aus Stahl und/oder Aluminium gefertigt sein und die Seitenfläche 113a aus Stahl und/oder Aluminium und/oder Kupfer bestehen.
In anderen Ausführungsvarianten können etwa beide Seitenflächen 113a, 113b isoliert in den Gehäusekörper 111 eingebracht sein, oder der Gehäusekörper 111 zweiteilig ausgeführt sein, so dass jede Seitenfläche 113a, 113b durch einen Gehäusekörperteil gebildet ist.
In einem nachfolgenden Schritt (E) werden die durch die Außenkanten der Faltungen gebildeten Pole 21a, 21b des Elektrodenstapels 20 durch jeweils eine der Seitenflächen 113a, 113b elektrisch kontaktiert. Beispielhaft wird hierbei ein Ultraschall- oder Laserschweißprozess eingesetzt. Der in das Gehäuse 110 eingebrachte und elektrisch kontaktierte Elektrodenstapel 20 wird nachfolgend als Batteriezelle 100 bezeichnet. Die Seitenflächen 113a, 113b dienen als elektrische Kontakte der Batteriezelle 100.
Im Vergleich zu der eingangs genannten Längsanordnung der Kontakte kann der im bestimmungsgemäßen Betrieb einer solchen Batteriezelle 100 zurückzulegende Weg der Elektronen von der Höhe H auf den Abstand d verringert werden, so dass beigetragen wird, die eingangs aufgeführten Beeinträchtigungen zu reduzieren bzw. zu vermeiden.
Abgesehen von der Anordnung der Kontakte kann eine Bauform einer solchen Batteriezelle 100 hinsichtlich Breite, Länge und Höhe nahezu flexibel gewählt werden. Insbesondere mit einer flachen Bauform kann so beispielsweise eine Kühlung der Batteriezelle 100 effizient gestaltet werden, etwa durch Kühlung der Batteriezelle 100 - mit Ausnahme der als Kontakte dienenden Seitenflächen 113a, 113b - über ihre kompletten Seitenflächen, so dass eine Überhitzung der Batteriezelle 100 vermieden bzw. verzögert werden kann.
Anhand 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Batteriezelle 100 dargestellt, bei der zusätzliche Isolatorplättchen 30a, 30b zwischen dem Boden 112a und dem Elektrodenstapel 20, sowie zwischen dem Deckel 112b und dem Elektrodenstapel 20 angeordnet werden. Hierbei kann es sich insbesondere um eine Isolatorfolie handeln, durch die ein elektrischer Kontakt einer etwaig freiliegenden Elektrodenschicht 11, 12 mit dem Gehäuse 110 unterbunden wird.
5 zweigt ein Ausführungsbeispiel einer Batteriezelle 100 mit geschlossenem Gehäuse 100. Wie anhand der 6 dargestellt erlaubt die seitlich gegenüberliegende Anordnung der Kontakte ein in Serie Schalten mehrerer Batteriezellen 100 zu einer Batteriezellenanordnung mit wenig Aufwand.
Bezugszeichenliste

0-4: Faltung
3a: Außenkante
10: Folie
10a, 10b: Folienabschnitt
11: erste Elektrodenschicht
12: zweite Elektrodenschicht
13: Separatorschicht
20: Elektrodenstapel
21a, 21b: Pol
30a, 30b: Isolatorplättchen
100: Batteriezelle
110: Gehäuse
111: Gehäusekörper
112a: Boden
112b: Deckel
113a, 113b: Seitenfläche
L: Länge
B: Breite
H: Höhe
d: Abstand
A-E: Verfahrensschritte

Claims

Elektrodenstapel (20) für eine Batteriezelle (100) mit - einer Folie (10), umfassend eine erste Elektrodenschicht (11), eine zweite Elektrodenschicht (12) sowie eine zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht angeordnete Separatorschicht (13), wobei - die Folie (10) eine Länge (L) aufweist, entlang der die Folie (10) jeweils in vorgegebenen Abständen (d) gefaltet ist, derart, dass durch zwei aufeinanderfolgende Faltungen (0, 1, 2, 3, 4) jeweils ein Folienabschnitt (10a, 10b) definiert wird, wobei aufeinanderfolgende Folienabschnitte (10a, 10b) durch das Falten derart übereinander angeordnet sind, dass abwechselnd jeweils erste Elektrodenschichten (11) oder jeweils zweite Elektrodenschichten (12) einander zugewandt sind, und - eine Außenkante (3a) jeweils jeder zweiten aufeinanderfolgenden Faltung (0-4) einen gemeinsamen Pol (21a, 21b) des Elektrodenstapels (20) bildet.
Elektrodenstapel (20) nach Anspruch 1, wobei die vorgegebenen Abstände (d) jeweils gleich sind.
Elektrodenstapel (20) nach Anspruch 2, wobei die vorgegebenen Abstände (d) jeweils mindestens 40 mm und höchstens 300 mm betragen.
Batteriezelle (100) mit einem Elektrodenstapel (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein Gehäuse (110) mit einem Gehäusekörper (111) zur Aufnahme des Elektrodenstapels (20), wobei das Gehäuse (110) einen Boden (112a) sowie einen gegenüber dem Boden (112a) angeordneten Deckel (112b) aufweist, und der Elektrodenstapel (20) derart in das Gehäuse (110) eingebracht ist, dass ein bezogen auf die Länge (L) erster Folienabschnitt (10a) sowie ein bezogen auf die Länge letzter Folienabschnitt (10c) zwischen dem Boden (112a) und dem Deckel (112b) angeordnet sind.
Batteriezelle (100) nach Anspruch 4, wobei das Gehäuse (110) zwei voneinander elektrisch isolierte, gegenüberliegende Seitenflächen (113a, 113b) aufweist, und der Elektrodenstapel (20) derart in das Gehäuse (110) eingebracht ist, dass die durch die Außenkante (3a) der Faltungen (0-4) gebildeten Pole (21a, 21b) des Elektrodenstapels (20) durch jeweils eine der Seitenflächen (113a, 113b) elektrisch kontaktiert sind.
Batteriezelle (100) nach Anspruch 5, wobei eine der Seitenflächen (113a) durch den Gehäusekörper (111) gebildet ist.
Batteriezelle (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 6, wobei zwischen dem ersten Folienabschnitt (10a) und dem Boden (112a) sowie zwischen dem letzten Folienabschnitt (10c) und dem Deckel (112b) jeweils ein Isolatorplättchen (30a, 30b) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (100), mit den Schritten (A) Bereitstellen einer Folie, umfassend eine erste Elektrodenschicht, eine zweite Elektrodenschicht sowie eine zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht angeordnete Separatorschicht, (B) Falten der Folie entlang ihrer Länge jeweils in vorgegebenen Abständen, derart, dass durch zwei aufeinanderfolgende Faltungen jeweils ein Folienabschnitt definiert wird, wobei aufeinanderfolgende Folienabschnitte durch das Falten derart übereinander angeordnet werden, dass abwechselnd jeweils erste Elektrodenschichten oder jeweils zweite Elektrodenschichten einander zugewandt sind und eine Außenkante jeweils jeder zweiten aufeinanderfolgenden Faltung einen gemeinsamen Pol des Elektrodenstapels bildet.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend (C) Bereitstellen eines Gehäuses mit einem Gehäusekörper zur Aufnahme des Elektrodenstapels, wobei das Gehäuse einen Boden sowie einen gegenüber dem Boden angeordneten Deckel aufweist, (D) Einbringen des Elektrodenstapels derart in das Gehäuse, dass ein bezogen auf die Länge erster Folienabschnitt sowie ein bezogen auf die Länge letzter Folienabschnitt zwischen dem Boden und dem Deckel angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Gehäuse zwei voneinander elektrisch isolierte, gegenüberliegende Seitenflächen aufweist, und das Einbringen des Elektrodenstapels in das Gehäuse ferner umfasst (E) Elektrisches Kontaktieren der durch die Außenkante der Faltungen gebildeten Pole des Elektrodenstapels durch jeweils eine der Seitenflächen.