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Die Erfindung betrifft eine Elektrode sowie eine elektrochemische Speicherzelle mit einer solchen Elektrode.
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Eine elektrochemische Speicherzelle ist ein Energiespeicher auf elektrochemischer Basis, der insbesondere wieder aufladbar ist und angepasst ist, elektrische Energie zu speichern und Verbrauchern bereitzustellen, beispielsweise Verbrauchern in einem Fahrzeug.
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Die elektrochemische Speicherzelle ist insbesondere eine Lithiumionen-Batterie, sodass die Erfindung insbesondere eine Elektrode für eine Lithiumionen-Batterie sowie eine Lithiumionen-Batterie mit einer solchen Elektrode betrifft.
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Im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionen-Batterie“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle, Lithiumionen-BatterieZelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Zelle“ synonym zu den Begriffen „Lithiumionen-Batterie“ und „Lithiumionen-Zelle“ genutzt. Die Lithiumionen-Batterie kann auch eine Festkörperbatterie sein, beispielsweise eine keramische oder polymerbasierte Festkörperbatterie.
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Eine elektrochemische Speicherzelle, insbesondere eine Lithiumionen-Batterie, hat mindestens zwei verschiedene Elektroden, eine positive (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode). Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf, wahlweise zusammen mit Zusätzen wie Elektrodenbindern und elektrischen Leitfähigkeitszusätzen, welches auf einen elektrisch leitenden Träger der jeweiligen Elektroden aufgebracht wird. Als elektrischer leitender Träger kommen insbesondere massive, nicht poröse und feste Ableiterfolien aus Aluminium (für die positive Elektrode) oder Kupfer (für die negative Elektrode) zum Einsatz, die im technischen Sprachgebrauch auch unter dem Begriff „solid foils“ bekannt sind. Derartige Ableiterfolien sind undurchlässig für Gase und flüssigen Elektrolyt.
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Entscheidende Faktoren für die Leistungsfähigkeit einer elektrochemischen Speicherzelle sind die erzielbare Energiedichte, die Lebensdauer sowie die zur Verfügung stehende Lade- und Entladerate, die insbesondere in Fahrzeuganwendungen von besonderer Bedeutung ist und möglichst hoch sein sollte. Die verfügbare Lade- und Entladerate wird jedoch durch verschiedene Effekte begrenzt, unter anderem durch zu erwartende Temperaturentwicklung während des Lade- und Entladevorgangs sowie durch Alterungseffekte.
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Die Elektroden liegen für den Einsatz in der elektrochemischen Speicherzelle insbesondere in Form eines Elektrodenstapels oder -wickels vor, wobei zwischen jeder Kathode und Anode ein Separator zur elektrischen Isolation angeordnet ist.
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Im Herstellungsprozess der elektrochemischen Speicherzelle ist es notwendig, den Elektrodenstapel oder -wickel nach Einbringen in ein Gehäuse mit Elektrolyt zu durchtränken, wobei eine gewisse Einwirkzeit notwendig ist, um eine ausreichende und gleichmäßige Benetzung der inneren Porosität der Elektroden bis hin zur Grenzfläche zu gewährleisten.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, den Herstellungsaufwand sowie die Herstellungskosten einer elektrochemischen Speicherzelle zu minimieren. Ferner soll eine elektrochemische Speicherzelle mit hoher Leistungsfähigkeit und Lebensdauer ermöglicht werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Elektrode für eine elektrochemische Speicherzelle mit einer Ableiterfolie, umfassend einen Auftragsbereich und einen Kontaktierungsbereich, wobei im Auftragsbereich eine Elektrodenbeschichtung aufgebracht ist, und wobei die Ableiterfolie im Kontaktierungsbereich wenigstens teilweise porös ist und im Auftragsbereich nicht porös ist.
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Im Kontaktierungsbereich ist erfindungsgemäß keine Elektrodenbeschichtung aufgebracht. Der Kontaktierungsbereich dient zur elektrischen Kontaktierung der Elektrode zu äußeren Kontaktierungen bzw. Stromführungen einer elektrochemischen Speicherzelle, welche die erfindungsgemäße Elektrode aufweist.
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Unter dem Begriff „porös“ wird das Vorhandensein wenigstens einer Öffnung verstanden, welche sich über die gesamte Dicke der Ableiterfolie hindurch erstreckt.
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Es wurde erkannt, dass durch die Kombination eines nicht porösen Auftragsbereichs und eines porösen Kontaktierungsbereichs der Ableiterfolie eine besonders vorteilhafte Elektrode für den Herstellungsprozess von elektrochemischen Speicherzellen, beispielsweise Lithiumionen-Batterien, erhalten lässt. Dadurch, dass der Auftragsbereich nicht porös ist, kann die Elektrodenbeschichtung ohne größere Einschränkungen und Anlagenmodifikationen mittels bekannter Prozessabläufe und Equipment auf die Ableiterfolie aufgebracht werden. Insbesondere ist die mechanische Stabilität der Ableiterfolie nicht wesentlich beeinträchtigt, da sich die Ableiterfolie trotz des porösen Kontaktierungsbereichs im Wesentlichen wie eine konventionelle „solid foil“ verhält. Gleichzeitig ermöglicht der poröse Kontaktierungsbereich jedoch bei der Herstellung einer elektrochemischen Speicherzelle eine schnelle Benetzbarkeit der Elektrode bzw. Elektroden sowie weiteren Komponenten wie Separatoren mit Elektrolyt, da dieser durch die Öffnungen im Kontaktierungsbereich in ein Ensemble bestehend aus Elektroden und Separatoren eindringen kann. Zusätzlich wird das Gesamtgewicht der Ableiterfolie im Vergleich zu einer Ableiterfolie mit einem nicht porösen Kontaktierungsbereich reduziert, wodurch die spezifische Energie einer elektrochemischen Speicherzelle mit einer solchen Elektrode erhöht werden kann.
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Die Art der Öffnungen, die für die Porosität des Kontaktierungsbereichs verantwortlich sind, ist nicht näher eingeschränkt. Beispielsweise weisen die Öffnungen eine kreisförmige, elliptische, rautenförmige oder eine andere polygonale Außenkontur auf.
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Die Öffnungen können in jeder beliebigen Geometrie relativ zueinander angeordnet sein.
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In einer Variante sind die Öffnungen zum Herstellen der Porosität des Kontaktierungsbereichs erhältlich durch Stanzen der Ableiterfolie. Stanzen stellt eine besonders kostengünstige Variante zum Erzeugen der notwendigen Porosität dar. Die ausgestanzten Bestandteile der Ableiterfolie können für alternative Anwendungen recycelt, insbesondere sortenrein recycelt, oder eingeschmolzen und zum Beispiel zu neuer Ableiterfolie weiterverarbeitet werden. Der Stanzabfall selbst kann auch für andere Zwecke appliziert werden, beispielsweise als Abdeckung von Zahnpastatuben.
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In einer weiteren Variante sind die Öffnungen zum Herstellen der Porosität des Kontaktierungsbereichs erhältlich durch Laserschneiden, auch als „Lasercutting“ bezeichnet. In diesem Verfahren wird mittels eines kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahls durch kontrollierte Materialablation Material aus der Ableiterfolie abgetragen und auf diese Weise geschnitten. Mittels Laserschneiden können insbesondere Öffnungen erzeugt werden, welche keine überstehenden Grate an ihren Seitenrändern aufweisen.
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In noch einer weiteren Variante kann der Kontaktierungsbereich in Gestalt eines Streckmetalls ausgeführt sein.
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Bevorzugt wird in der Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode die Porosität des Kontaktierungsbereichs zeitlich und räumlich getrennt vom Auftragen der Elektrodenbeschichtung erzeugt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass beim Herstellen der Öffnungen im Kontaktierungsbereich entstehende Metallflimmerstäube und/oder andere Stäube sich in bzw. auf der Elektrodenbeschichtung oder zwischen Separator und Elektrode niederschlagen. Auf diese Weise kann die Gefahr von Feinschlüssen in elektrochemischen Speicherzellen mit erfindungsgemäßen Elektroden signifikant minimiert werden.
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Es ist jedoch auch möglich, zunächst die Elektrodenbeschichtung aufzutragen und anschließend die Öffnungen im Kontaktierungsbereich zu erzeugen. Insbesondere wenn die Öffnungen mittels Stanzen erzeugt werden, ist die Entstehung von Metallstäuben mit vertretbarem Aufwand begrenzbar, beispielsweise mittels einer Absaugung. Eine solche Prozessabfolge bietet den Vorteil, dass bestehende Produktionsanlagen für elektrochemische Speicherzellen genutzt werden können und die Ableiterfolie während des Auftragens der Elektrodenbeschichtung in besonderem Maße mechanisch stabil ist.
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Der Kontaktierungsbereich ist insbesondere integraler Bestandteil der Ableiterfolie. Mit anderen Worten ist der Kontaktierungsbereich nicht lediglich an den Auftragsbereich angebracht, beispielsweise mittels einer Verschweißung. Auf diese Weise sind keine zusätzlichen Arbeitsschritte zum Befestigen des Kontaktierungsbereichs durchzuführen und der Kontaktierungsbereich ist stabil mit den restlichen Bestandteilen der Elektrode verbunden, wodurch die Lebensdauer der Elektrode erhöht ist.
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Um eine kompakte Bauweise zu ermöglichen, kann sich der Kontaktierungsbereich seitlich entlang des Auftragsbereichs der Ableiterfolie erstrecken. Insbesondere grenzt der Kontaktierungsbereich direkt an den Auftragsbereich der Elektrode an.
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In einer bevorzugten Variante erstreckt sich der Kontaktierungsbereich seitlich entlang der gesamten Länge des Auftragsbereiches. In dieser Variante lässt sich besonders effektiv die Transportlänge von Elektronen innerhalb der Ableiterfolie und somit der elektrische Widerstand innerhalb der Elektrode minimieren. Dadurch lässt sich im Betrieb der Elektrode in einer elektrochemischen Speicherzelle ein verbesserter Wärmeabtransport erzielen, wodurch wiederum die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Elektrode erhöht werden sowie eine höhere Lade- und Entladerate im Betrieb einer solchen elektrochemischen Speicherzelle genutzt werden kann.
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Insbesondere kann der Kontaktierungsbereich ein durchgehendes Kontaktierungsband entlang des Auftragsbereichs der Ableiterfolie bilden.
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In einer weiteren bevorzugten Variante umfasst der Kontaktierungsbereich mehrere voneinander beabstandete Ableiterfahnen. Mit anderen Worten liegt in dieser Variante kein durchgehend verlaufendes Kontaktierungsband vor. Eine solche Ausgestaltung der Ableiterfolie kann erzeugt werden, indem aus einem durchgehenden Kontaktierungsband ausgewählte Bereiche herausgeschnitten, genotched, d.h. gelasert, oder herausgestanzt werden. Mit anderen Worten wird das Kontaktierungsband konturiert, das heißt es wird ein Konturschnitt durchgeführt. Auf diese Weise kann das Gewicht der Elektrode weiter reduziert und somit die spezifische Energie einer elektrochemischen Speicherzelle mit der Elektrode weiter erhöht werden. Jedoch ist der Herstellungsaufwand der Elektrode in dieser Variante erhöht, insbesondere muss eine gründliche Absaugung von Metallstäuben sichergestellt werden, um spätere Feinschlüsse der Elektrode sicher ausschließen zu können.
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Die Ableiterfahnen können gleichmäßig oder in unregelmäßigen Abständen voneinander beabstandet sein.
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Auch können die Ableiterfahnen die gleiche oder eine unterschiedliche Breite aufweisen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine elektrochemische Speicherzelle mit einer in einem Gehäuse angeordneten Elektrodenanordnung, wobei die Elektrodenanordnung eine Anode, eine Kathode sowie einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Separator umfasst und wobei die Anode und/oder die Kathode eine Elektrode der zuvor beschriebenen Art ist.
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Die Elektrodenanordnung kann mehrere Anoden und/oder Kathoden umfassen, wobei zwischen jeder direkt aneinander angrenzenden Anode und Kathode ein Separator angeordnet ist. In diesem Fall ist mindestens eine Anode und/oder mindestens eine Kathode eine Elektrode der zuvor beschriebenen Art.
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Um eine kompakte Bauweise zu ermöglichen, kann die Elektrodenanordnung ein Elektroden-Rundwickel, ein Elektroden-Flachwickel oder ein Elektrodenstapel sein.
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In einer bevorzugten Variante weist die Elektrodenanordnung zwei endständige Stirnseiten auf und der Kontaktierungsbereich der Anode oder der Kathode ragt aus einer der Stirnseiten der Elektrodenanordnung hervor, wobei das Gehäuse mittels einer Kontaktplatte verschlossen ist, welche den hervorragenden Kontaktierungsbereich der Anode oder der Kathode elektrisch kontaktiert. Derartige Zelldesigns sind aus der
WO 2020/096973 A1 und der
EP 3 258 519 A1 bekannt.
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Der hervorragende Kontaktierungsbereich der Anode oder der Kathode ist der poröse Kontaktierungsbereich der erfindungsgemäßen Elektrode, das heißt ein Bereich ohne aufgebrachter Elektrodenbeschichtung. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kontaktplatte den porösen Kontaktierungsbereich elektrisch kontaktiert.
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Die Kontaktplatte ist beispielsweise mit dem Gehäuse verschweißt.
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Die Kontaktplatte weist insbesondere mindestens eine Zugangsöffnung zum Befüllen des Gehäuses mit Elektrolyt auf, bevorzugt mehrere Zugangsöffnungen.
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Während des Herstellungsprozesses der elektrochemischen Speicherzelle muss die elektrochemische Speicherzelle im Innenvolumen des Gehäuses mit Elektrolyt befüllt werden, sodass die Elektroden der Elektrodenanordnung und der Separator möglichst vollständig und gleichmäßig mit Elektrolyt benetzt werden können. Indem die Kontaktplatte eine Zugangsöffnung aufweist, kann die Kontaktplatte selbst zusätzlich genutzt werden, um das Befüllen mit Elektrolyt vorzunehmen. Dadurch, dass die Kontaktplatte mit dem porösen Kontaktierungsbereich kontaktiert ist, kann der durch die Kontaktplatte zugeführte Elektrolyt im Wesentlichen ungehindert und somit schnell in die Elektrodenanordnung und den Separator eindringen. Auf diese Weise ist die notwendige Einwirkzeit bis zur vollständigen Benetzung der Elektrodenanordnung mit Elektrolyt minimiert, während zugleich eine gleichmäßige und zuverlässige Benetzung aller Elektroden der Elektrodenanordnung sowie des Separators sichergestellt werden kann.
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Die Zugangsöffnung bzw. die Zugangsöffnungen der Kontaktplatte können zudem zum Entgasen der elektrochemischen Speicherzelle genutzt werden. Bereits im Herstellungsprozess der elektrochemischen Speicherzelle ist ein entsprechender Entgasungsprozess im sogenannten Pre-Charge oder der Formation durchzuführen, insbesondere während und/oder nach dem erstmaligen Lade- und Entladevorgang.
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Der hervorragende Kontaktierungsbereich der Anode oder der Kathode kann wenigstens teilweise in Richtung der Stirnseite umgefaltet sein. In dieser Variante ist eine noch kompaktere Bauweise der elektrochemischen Speicherzelle möglich, während durch die Porosität des wenigstens teilweise umgefalteten Kontaktierungsbereichs weiterhin eine zuverlässige Benetzung mit Elektrolyt, ein zuverlässiges Entgasen der elektrochemischen Speicherzelle sowie eine zuverlässige Kontaktierung gewährleistet bleibt.
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In einer weiteren Variante ist sowohl die Anode als auch die Kathode eine erfindungsgemäße Elektrode wie zuvor beschrieben. Weist die Elektrodenanordnung mehr als eine Anode und/oder eine Kathode auf, sind in dieser Variante insbesondere alle Anoden und Kathoden eine erfindungsgemäße Elektrode der zuvor beschriebenen Art.
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Die elektrochemische Speicherzelle ist insbesondere eine Lithiumionenzelle.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen, sowie aus den Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode,
- - 2 eine Elektrodenanordnung umfassend die Elektrode nach 1,
- - 3 eine alternative Elektrodenanordnung mit der Elektrode nach 1.
- - 4 eine schematische Schnittansicht durch die Elektrodenanordnung aus 2,
- - 5 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Speicherzelle mit der Elektrodenanordnung aus 4 mit aufgesetzter Kontaktplatte,
- - 6 eine schematische Aufsicht auf eine erste Ausführungsform der Kontaktplatte aus 5,
- - 7 eine schematische Aufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Kontaktplatte aus 5,
- - 8 eine Teilansicht der elektrochemischen Speicherzelle nach 5 während des Befüllens mit Elektrolyt,
- - 9 eine Teilansicht der elektrochemischen Speicherzelle nach 5 während eines Entgasungsprozesses,
- - 10 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode,
- - 11 eine schematische Schnittansicht durch eine Elektrodenanordnung umfassend die Elektrode nach 10,
- - 12 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Speicherzelle mit der Elektrodenanordnung aus 11,
- - 13 eine Teilansicht der elektrochemischen Speicherzelle nach 12 während des Befüllens mit Elektrolyt, und
- - 14 eine Teilansicht der elektrochemischen Speicherzelle nach 12 während eines Entgasungsprozesses.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Elektrode 10 in einer Draufsicht dargestellt.
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Die Elektrode 10 umfasst eine Ableiterfolie 12, welche einen Auftragsbereich 14 und einen Kontaktierungsbereich 16 aufweist.
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Die Ableiterfolie 12 ist insbesondere eine Aluminium- oder Kupferfolie.
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Im Auftragsbereich 14 ist eine Elektrodenbeschichtung 18 auf die Ableiterfolie 12 aufgebracht.
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Die Elektrodenbeschichtung 18 umfasst ein elektrochemisches Aktivmaterial, ein Elektrodenbindemittel sowie optional Additive, beispielsweise ein elektrischer Leitfähigkeitszusatz. Die Art des elektrochemischen Aktivmaterials, des Elektrodenbindemittels und der optionalen Additive ist nicht weiter eingeschränkt, sodass alle im Stand der Technik bekannten Elektrodenbeschichtungen 18 zum Einsatz kommen können, die sich für eine angedachte Anwendung der Elektrode 10 eignen.
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Der Kontaktierungsbereich 16 weist eine Vielzahl von Öffnungen 20 auf, die sich durch die gesamte Dicke der Ableiterfolie 12 hindurch erstrecken. Mit anderen Worten ist der Kontaktierungsbereich 16 porös.
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Im Gegensatz zum Kontaktierungsbereich 16 ist der Auftragsbereich 14 der Ableiterfolie 12 nicht porös, wobei in 1 die nicht poröse Struktur der Ableiterfolie 12 im Auftragsbereich 14 aufgrund der bereits aufgetragenen Elektrodenbeschichtung 18 nicht zu sehen ist. Die nicht poröse Struktur des Auftragsbereichs 14 hat zur Folge, dass die Elektrodenbeschichtung 18 mit allen konventionellen im Stand der Technik bekannten Verfahren auf den Auftragsbereich 14 aufgebracht werden kann, ohne dass wesentliche Anpassungen im Herstellungsprozess notwendig sind.
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In der gezeigten Ausführungsform besitzen die Öffnungen 20 eine elliptische Außenkontur. Grundsätzlich kann die Öffnung 20 jedoch eine beliebige Geometrie aufweisen, beispielsweise eine kreisförmige, rautenförmige oder polygonale Außenkontur.
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Die in 1 gezeigten Öffnungen 20 sind durch Ausstanzen von Material aus der Ableiterfolie 12 im Kontaktierungsbereich 16 erhältlich. Grundlegend können auch andere Verfahren zum Erzeugen der Öffnungen 20 zum Einsatz kommen, beispielsweise Laserschneiden.
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Der Kontaktierungsbereich 16 verläuft seitlich entlang der gesamten Länge des Auftragsbereichs 14 und direkt an den Auftragsbereich 14 angrenzend. Auf diese Weise ist die Transportlänge von Elektronen, die im Betrieb der Elektrode 10 durch diese hindurch transportiert werden müssen verkürzt. Dadurch sinkt der resultierende elektrische Widerstand der Elektrode 10, sodass ein übermäßiges Erwärmen der Elektrode 10 sowie die Bildung von lokalen Hotspots im Betrieb der Elektrode 10 zuverlässig vermieden werden können.
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Der Kontaktierungsbereich 16 ist in Form eines kontinuierlichen Kontaktierungsbands ausgestaltet. Daher sind keine zusätzlichen Verarbeitungsschritte zum Konturieren des Kontaktierungsbereichs 16 am Auftragsbereich 14 notwendig, wodurch der Aufwand in der Herstellung der Elektrode 10 niedrig gehalten werden kann.
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Ferner ist der Kontaktierungsbereich 16 integraler Bestandteil der Ableiterfolie 12, das heißt, dass der Kontaktierungsbereich 16 nicht nachträglich an den Auftragsbereich 14 angebracht wurde.
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Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, den Kontaktierungsbereich 16 beispielsweise mittels Verschweißen am Auftragsbereich 14 vor oder nach dem Aufbringen der Elektrodenbeschichtung 18 an den Auftragsbereich 14 anzubringen.
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In 2 ist schematisch eine teilaufgerollte Elektrodenanordnung 21 dargestellt.
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Die teilaufgerollte Elektrodenanordnung 21 umfasst die zuvor beschriebene Elektrode 10, eine Gegenelektrode 22 sowie einen zwischen der Elektrode 10 und der Gegenelektrode 22 angeordneten Separator 24, der die Elektrode 10 und die Gegenelektrode 22 elektrisch voneinander isoliert.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die Elektrode 10 eine Anode und die Gegenelektrode 22 eine Kathode. Grundsätzlich könnte jedoch die Elektrode 10 eine Kathode und die Gegenelektrode 22 eine Anode sein. Ebenso könnte die Elektrodenanordnung 21 eine Vielzahl von Anoden und Kathoden umfassen, die jeweils von einem Separator 24 elektrisch voneinander isoliert sind.
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Die Gegenelektrode 22 umfasst analog zur Elektrode 10 einen Gegenelektroden-Beschichtungsbereich 26 sowie einen Gegenelektroden-Kontaktierungsbereich 28, wobei der Gegenelektroden-Kontaktierungsbereich 28 im Gegensatz zum Kontaktierungsbereich 16 der Elektrode 10 nicht porös ist.
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Alternativ könnte die Gegenelektrode 22 ebenfalls eine erfindungsgemäße Elektrode 10 wie zuvor beschrieben sein, wie anhand der alternativen Ausführungsform in 3 gezeigt. In diesem Fall ist der Gegenelektroden-Kontaktierungsbereich 28 ebenfalls porös und entspricht im Wesentlichen dem Kontaktierungsbereich 16 der Elektrode 10.
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Die Elektrodenanordnung 21 ist in den gezeigten Ausführungsformen ein Elektroden-Rundwickel und weist eine erste endständige Stirnseite 30 und eine zweite endständige Stirnseite 32 auf.
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Der Kontaktierungsbereich 16 der Elektrode 10, also der Anode, ragt aus der ersten endständigen Stirnseite 30 hervor, während der Gegenelektroden-Kontaktierungsbereich 28, also der Kathode, aus der anderen zweiten endständigen Stirnseite 32 hervorragt.
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In 4 ist eine schematische Schnittansicht einer vollständig aufgerollten Elektrodenanordnung 21 nach 2 gezeigt, nachdem diese in einem Gehäuse 34 aufgenommen wurde, wobei zur Vereinfachung der Darstellung der Separator 24 nicht explizit gezeigt ist. Das Gehäuse 36 ist beispielsweise aus Aluminium oder Edelstahl.
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Wie in 4 zu sehen ist, ergibt sich durch das Aufrollen der Elektrodenanordnung 21 zu einem Elektroden-Rundwickel eine kompakte Anordnung, in welcher im Querschnitt betrachtet eine Abfolge von Elektrode 10 und Gegenelektrode 22, das heißt von Anode und Kathode, resultiert.
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In 5 ist eine erfindungsgemäße elektrochemische Speicherzelle 36 dargestellt, in welcher das Gehäuse 34 durch Aufsetzen einer Kontaktplatte 38 verschlossen wird, wie durch einen Pfeil angedeutet. Die Kontaktplatte 38 kann anschließend beispielsweise durch Verschweißen am Gehäuse 34 befestigt werden.
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Die Kontaktplatte 38 dient zur elektrischen Kontaktierung des Kontaktierungsbereichs 16, wobei die einzelnen Enden des Kontaktierungsbereichs 16 zur Kontaktierung zusammengefasst werden können, beispielsweise durch Zusammenfalten wie in 5 dargestellt oder eine (nicht gezeigte) Spange. Im Vergleich zu einem Kontaktierungsbereich, der nicht porös ist, ermöglichen es die Öffnungen 20, dass der zusammengefasste Kontaktierungsbereich 16 weniger dick ist und weniger zu Faltenbildung neigt.
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Die Kontaktplatte 38 weist mindestens eine Zugangsöffnung 40 auf, wie in der Aufsicht in 6 gezeigt. Die mindestens eine Zugangsöffnung 40 dient zum Befüllen des Gehäuses 34 mit Elektrolyt sowie zum Entgasen des Gehäuses 34, das heißt zum Abführen von innerhalb des Gehäuses 34 entstehender Gase.
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Die Kontaktplatte 38 kann eine Vielzahl von Zugangsöffnungen 40 aufweisen, wie in der alternativen Ausführungsform in 7 gezeigt.
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In 8 ist eine Teilansicht der elektrochemischen Speicherzelle 36 gezeigt, während das Gehäuse 34 mit Elektrolyt 42 befüllt wird. Wie zu erkennen ist, ermöglicht die poröse Struktur des Kontaktierungsbereichs 16, dass der Elektrolyt 42 durch den Kontaktierungsbereich 16 hindurch eindringt und über eine Vielzahl an Strömungswegen das Gehäuse 34 auffüllt, wie durch die Pfeile in 8 angedeutet.
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Auf diese Weise ermöglicht der Einsatz der erfindungsgemäßen Elektrode 10 eine schnelle, gleichmäßige und vollständige Benetzung der gesamten Elektrodenanordnung 21. Somit wird sowohl der Herstellungsprozess der elektrochemischen Speicherzelle 36 beschleunigt, als auch die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der elektrochemischen Speicherzelle 36 erhöht.
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Aus 8 wird zudem deutlich, dass die Zugangsöffnungen 40 der Kontaktplatte 38 grundlegend beliebig angeordnet werden können, da durch den porösen Kontaktierungsbereich 16 weiterhin ein Eindringen und Benetzendes Elektrolyten über den gesamten Innenraum des Gehäuses 34 hinweg erfolgen kann.
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In 9 ist eine Teilansicht der elektrochemischen Speicherzelle 36 während eines Entgasungsvorgangs gezeigt, beispielsweise zum Abführen von Gasen, welche sich während des ersten Lade- und Entladevorgangs der elektrochemischen Speicherzelle 36 gebildet haben. Wie durch Pfeile in 9 angedeutet, können die Gase aufgrund der porösen Struktur des Kontaktierungsbereichs 16 über eine Vielzahl an Strömungswegen aus der Elektrodenanordnung 21 und anschließend über die mindestens eine Zugangsöffnung 40 der Kontaktplatte 38 aus dem Gehäuse 34 entfernt werden. Somit lässt sich zuverlässig verhindern, dass sich ein Überdruck innerhalb des Gehäuses 34 aufbaut und somit die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der elektrochemischen Speicherzelle 36 erhöhen. Insbesondere kann sich kein lokaler Überdruck zwischen benachbarten Elektroden aufbauen, da entstehende Gase in jedem Fall über den porösen Kontaktierungsbereich 16 abgeführt werden können.
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In 10 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode 10 dargestellt. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Auf die obigen Ausführungen wird verwiesen.
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In der zweiten Ausführungsform liegt der Kontaktierungsbereich 16 nicht in Form eines kontinuierlichen Kontaktierungsbands, sondern in Form einer Mehrzahl von Ableiterfahnen 44 vor. Diese sind beispielsweise erhältlich durch Entfernen von Teilbereichen bzw. Teilabschnitten eines zunächst vorliegenden Kontaktierungsbands. Durch die Reduzierung des Materials im Kontaktierungsbereich 16 kann das Gewicht der Elektrode 10 weiter reduziert und somit die spezifische Energie einer elektrochemischen Speicherzelle 36 mit einer solchen Elektrode 10 weiter erhöht werden.
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Die einzelnen Ableiterfahnen 44 können die gleiche Breite entlang des Auftragsbereichs 14 aufweisen oder, wie in 10 gezeigt, unterschiedliche Breiten. Ebenso können die Ableiterfahnen 44 in gleichem Abstand voneinander beabstandet angeordnet sein wie in 10 gezeigt, oder unterschiedlich weit voneinander beabstandet angeordnet sein.
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In 11 ist eine vollständig aufgerollte Elektrodenanordnung 21 umfassend die Elektrode 10 gemäß 10 zu sehen. Im Vergleich zur Darstellung aus 4 wird deutlich, dass durch die teilweise Entfernung von Material aus dem Kontaktierungsbereich 16 ein geringerer Platzbedarf resultiert.
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In 12 ist eine zweite Ausführungsform der elektrochemischen Speicherzelle 36 dargestellt. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Auf die obigen Ausführungen wird verwiesen.
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In der zweiten Ausführungsform der elektrochemischen Speicherzelle 36 sind die Ableiterfahnen 44 des Kontaktierungsbereichs 16 auf die erste Stirnseite 30 der Elektrodenanordnung 21 umgefaltet, woraus eine kompaktere Bauform der elektrochemischen Speicherzelle 36 resultiert.
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Durch den porösen Kontaktierungsbereich 16, respektive durch die porösen Ableiterfahnen 44, kann die Elektrodenanordnung 21 auch im Fall umgefalteter Ableiterfahnen 44 schnell, gleichmäßig und vollständig mit Elektrolyt benetzt werden, wie in 13, welche analog zu 8 ausgestaltet ist, durch Pfeile angedeutet. Ferner ist weiterhin eine zuverlässige Entgasung möglich, wie in 14, welche analog zu 9 ausgestaltet ist, durch Pfeile angedeutet.
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Die erfindungsgemäße Elektrode 10 ermöglicht eine einfache und schnelle Herstellung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Speicherzelle 36, welcher sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit sowie eine lange Lebensdauer auszeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2020096973 A1 [0031]
- EP 3258519 A1 [0031]
