DE102021118405A1

DE102021118405A1 - Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle bzw. eines Stapels von Batteriezellen unter Anwendung additiver Fertigungsverfahren

Info

Publication number: DE102021118405A1
Application number: DE102021118405.3A
Authority: DE
Inventors: Justus Speichermann; Christoph Orth
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2021-07-16
Publication date: 2023-01-19

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle werden mindestens eine Schicht eines ersten Elektrodenmaterials, eine Separatorschicht und eine Schicht eines zweiten Elektrodenmaterials mittels additiver Fertigungsverfahren aufeinander ausgebracht. Jeweilige Ableitelemente für die Elektrodenschichten werden vor dem Aufbringen der Schichten bereitgestellt oder zusammen mit den Schichten ebenfalls in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt. Das Separatormaterial füllt dabei einen zwischen jeweils einer Elektrodenschicht und mit dieser nicht in Kontakt stehenden Ableitelementen bestehenden Raum aus. Die Ableitelemente können von einem Kühlmittel durchströmt sein oder ein Wärmerohr bilden. Das Separatormaterial dient zugleich als Elektrolyt. In den Elektrodenschichten kann elektrisch leitfähiges Material eingebettet sein, um den elektrischen Widerstand zu reduzieren.

Description

FELD DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle bzw. eines Stapels von Batteriezellen, insbesondere einer Dünnschichtbatteriezelle und unter Anwendung additiver Fertigungsverfahren. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem auf eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Batteriezelle bzw. Batterie, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie.
Der Begriff Batterie sowie die diesen enthaltenden Begriffe werden in dieser Beschreibung stellvertretend vor allem für wiederaufladbare Batterien bzw. Akkumulatoren verwendet, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
HINTERGRUND
Eine Batteriezelle besteht üblicherweise aus einer Anode und einer Kathode, zwischen denen ein Elektrolyt und eine Separatorschicht angeordnet ist. Ein erster Stromableiter oder Kollektor, der mit der Anode verbunden ist, stellt einen Minuspol der Batteriezelle dar, ein zweiter, mit der Kathode verbundener Kollektor stellt den Pluspol der Batterie dar.
Mehrere Batteriezellen können in Serie geschaltet werden, um eine entsprechende Vervielfachung der Batteriespannung zu erzielen. Bei einer Parallelschaltung mehrerer Batteriezellen kann der von der Batterie gelieferte Strom erhöht werden.
Wegen der höheren Energiedichte; Leistungsdichte und Nennspannung gegenüber den weit verbreiteten Blei-Säure-Batterien, Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metall-Hydrid-Batterien werden in modernen transportablen elektronischen Geräten, bspw. mobilen Telefonen, Tablets oder Notebooks, sowie in modernen Luft-, Land- und Seefahrzeugen und auch in der Raumfahrttechnik Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Auch die Zahl der Lade-Entladezyklen, bis eine nennenswerte Degradation der Batterie einsetzt, d.h. bis ein spürbarer Leistungs- und Kapazitätsverlust eintritt, ist bei Lithium-Ionen-Batterien höher als bei den vorstehend genannten Batterien.
Lithium-Ionen-Batterien sind als Rundzellen oder prismatische Zellen mit festem Gehäuse oder als sogenannte Pouch-Zellen mit einem weichen Gehäuse in großer Vielfalt kommerziell erhältlich. Rundzellen oder prismatische Zellen können in relativ einfachen Gehäusen zu Zellmodulen oder Batteriesystemen zusammengefasst werden. Bei den Pouch-Zellen ist der Einbau in ein Gehäuse notwendig, welches höhere mechanische Anforderungen erfüllen muss.
Lithium-Ionen-Batterien werden in unterschiedlichen Fertigungsverfahren hergestellt. Ein bekanntes Verfahren ist das sogenannte Jelly-Roll-Verfahren, bei dem eine erste elektrisch leitfähige Trägerfolie, bspw. Aluminium- oder Kupferfolie, auf jeder Seite mit einem ersten der Elektrodenmaterialien und eine zweite Trägerfolie auf jeder Seite mit einem zweiten der Elektrodenmaterialien beschichtet wird. Anschließend werden die beschichteten Trägerfolien mit einem dazwischen angeordneten Separator zu einer Rolle zusammengerollt, so dass sich Anodenmaterial und Kathodenmaterial von dem Separator getrennt gegenüberliegen. Um einen elektrischen Anschluss der Kathoden und Anoden zu ermöglichen, können Anschlussfahnen von den Trägerfolien aus dem Wickel herausgeführt sein. Der Wickel wird in ein Gehäuse eingesetzt, in welches auch der Elektrolyt eingebracht wird.
In der jüngeren Vergangenheit sind insbesondere auch additive Fertigungsverfahren für die Herstellung von schichtartig aufgebauten Lithium-Ionen-Akkumulatoren beschrieben worden. Hierbei können neben Sprüh- oder Gießverfahren beispielsweise auch aus anderen Bereichen der additiven Fertigung bekannte 3D-Druckverfahren zum Einsatz kommen, etwa Fused Deposition Molding (FDM) und Fused Filament Fabrication (FFF).
Eine Herausforderung bei der additiven Fertigung von Batteriezellen ist die elektrische Kontaktierung der Elektroden, also der Anode und der Kathode, und die Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen Elektroden und dem jeweils der anderen Elektrodenschicht zugeordneten Kontakt, insbesondere bei mehreren in einem Fertigungsprozess übereinander gestapelten Batteriezellen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle mit mindestens einer Anodenschicht und mindestens einer Kathodenschicht bzw. eines Stapels solcher Batteriezellen zu schaffen, welches eine sichere und kurzschlussfreie Kontaktierung der Elektrodenschichten ermöglicht, sowie ein in dem Verfahren nutzbares elektrisches Ableiterelement.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren und das in Anspruch 8 angegebene Ableiterelement gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterentwicklungen und Anwendungen sind in den jeweiligen abhängigen bzw. nebengeordneten Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle mit mindestens einer Schicht eines ersten Elektrodenmaterials, bspw. einer Anodenschicht, und mindestens einer Schicht eines zweiten Elektrodenmaterials, bspw. einer Kathodenschicht, umfasst in einem ersten Schritt das Bereitstellen mindestens jeweils eines Teils eines elektrisch leitenden ersten und zweiten Ableitelements für die mindestens eine Schicht des ersten Elektrodenmaterials und die mindestens eine Schicht des zweiten Elektrodenmaterials. Die Ableitelemente sind mit einem Pluspol bzw. einem Minuspol einer Batterie verbindbar oder bilden diese. Das Verfahren umfasst in einem anschließenden zweiten Schritt das Ausbringen einer Schicht des ersten Elektrodenmaterials, also eines Anodenmaterials oder eines Kathodenmaterials. Die Schicht des ersten Elektrodenmaterials erstreckt sich bündig bis das mindestens eine erste Ableitelement heran bzw., wenn mehrere erste Ableitelemente vorgesehen sind, vorzugsweise bis an jedes der ersten Ableitelemente heran, und ist mit diesem oder diesen stoffschlüssig in elektrischen Kontakt gebracht. Dies kann bspw. durch den direkten Kontakt erfolgen, oder unter Zuhilfenahme von geeigneten Strukturen oder Vermittlern, etwa elektrisch leitfähigem Kleber. Die Schicht des ersten Elektrodenmaterials endet von dem mindestens einen zweiten Ableitelement beabstandet, so dass ein Freiraum zwischen der Schicht des ersten Elektrodenmaterials und dem mindestens einen zweiten Ableitelement entsteht, und die Schicht des ersten Elektrodenmaterials nicht in elektrischen Kontakt mit dem mindestens einen zweiten Ableitelement gelangt. Das Einhalten des Abstands kann durch Unterbrechen der Beschichtung während des Prozesses erfolgen, bspw. wenn das Material eine ausreichend niedrige Viskosität aufweist oder nach dem Aufbringen unmittelbar erstarrt oder ausgehärtet wird. Es ist aber auch möglich, Masken oder Schablonen zu verwenden, um bestimmte Bereiche nicht zu beschichten. Anstelle die Ableitelemente als komplette Teile bereitzustellen können diese ebenfalls mit einem additiven Fertigungsverfahren schichtweise zusammen mit der jeweils aufzubringenden Schicht hergestellt werden. Sofern die Ableitelemente jeweils mit den Schichten in einem additiven Fertigungsverfahren zusammen hergestellt werden, werden sie vorzugsweise vor dem Aufbringen der jeweiligen Elektroden- oder Separatorschicht gefertigt. In einem sich anschließenden dritten Schritt daran umfasst das Verfahren das Ausbringen einer sich über die gesamte Schicht des ersten Elektrodenmaterials bündig an das mindestens eine erste Ableitelement und das mindestens eine zweite Ableitelement heran erstreckenden Separatorschicht. Die Separatorschicht bildet dabei eine im Wesentlichen ebene Oberfläche aus, d.h., sie hat im Bereich des Freiraums, den sie ausfüllt, eine größere Dicke als oberhalb der Schicht des ersten Elektrodenmaterials. Die Separatorschicht liegt dabei an den ersten und zweiten Ableitelementen bündig an. Auf die Separatorschicht wird anschließend in einem vierten Schritt eine Schicht eines zweiten Elektrodenmaterials ausgebracht. Die Schicht des zweiten Elektrodenmaterials erstreckt sich bündig bis das mindestens eine zweite Ableitelement heran bzw., wenn mehrere erste Ableitelemente vorgesehen sind, vorzugsweise bis an jedes der ersten Ableitelemente heran, und ist mit diesem stoffschlüssig in elektrischen Kontakt gebracht. Wie bei der ersten Elektrodenschicht kann dies bspw. durch den direkten Kontakt erfolgen, oder unter Zuhilfenahme von geeigneten Strukturen oder Vermittlern, etwa elektrisch leitfähigem Kleber. Die Schicht des zweiten Elektrodenmaterials endet von dem mindestens einen ersten Ableitelement beabstandet, so dass ein Freiraum zwischen der Schicht des zweiten Elektrodenmaterials und dem mindestens einen ersten Ableitelement entsteht und die Schicht des zweiten Elektrodenmaterials nicht in elektrischen Kontakt mit dem mindestens einen ersten Ableitelement gelangt. Wie bei der ersten Elektrodenschicht kann das Einhalten des Abstands durch Unterbrechen der Beschichtung während des Prozesses erfolgen, bspw. wenn das Material eine ausreichend niedrige Viskosität aufweist oder nach dem Aufbringen unmittelbar erstarrt. Es ist aber auch möglich, Masken oder Schablonen zu verwenden, um bestimmte Bereiche nicht zu beschichten.
Durch die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte wird eine erste Batteriezelle erzeugt, welche an den Ableitelementen zum Laden und Entladen kontaktiert werden kann, und bei der sich die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht entlang im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Ebenen erstrecken.
In einer oder mehreren Ausgestaltungen des Verfahrens kann durch Wiederholen des dritten Schritts gefolgt von dem zweiten Schritt eine zweite Batteriezelle über der zuerst erzeugten Batteriezelle gefertigt werden, also ein geschichteter Stapel von Batteriezellen. Dabei wird die zweite Elektrodenschicht von beiden benachbarten Batteriezellen genutzt. In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens werden die zweiten bis vierten Schritte nach der Wiederholung des dritten Schritts wiederholt. Bei dem so erzeugten Batteriezellenstapel wechseln sich erste und zweite Elektrodenschichten in einer Richtung senkrecht zu der Erstreckung der Schichten ab. Bei dieser oder diesen Ausgestaltungen sind die Ableitelemente zweckmäßigerweise zur Kontaktierung mehrerer jeweiliger Schichten des ersten bzw. zweiten Elektrodenmaterials ausgelegt.
Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen des Verfahrens ist in mindestens einer der Schichten des ersten und/oder des zweiten Elektrodenmaterials ein elektrisch leitendes Material in einem oder mehreren sich parallel zu der Oberfläche erstreckenden Streifen eingebettet. Das elektrisch leitende Material kann bspw. ein Metallstreifen, -gitter oder -gewebe sein, welcher bzw. welches beim Ausbringen der Elektrodenschicht darin eingebettet wird, oder Material, welches beim Ausbringen der Elektrodenschicht flüssig oder pulverförmig mit aufgebracht wird und mittels geeigneter Behandlung in eine elektrisch leitfähige Struktur überführt wird, bspw. durch Lasersintern eines pulverförmigen Materials. Das elektrisch leitende Material kann bei einer oder mehreren Ausgestaltungen mit dem mindestens einen Ableitelement der entsprechenden Schicht des ersten bzw. des zweiten Elektrodenmaterials, in welche es eingebettet ist, elektrisch leitend verbunden werden. Die Verbindung kann direkt durch den Materialkontakt mit dem Ableitelement erfolgen, durch geeignete Behandlung, z.B. Schweißen, oder unter Zuhilfenahme von geeigneten Strukturen oder Vermittlern, etwa elektrisch leitfähigem Kleber.
Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen des Verfahrens wird die im zweiten Schritt ausgebrachte Schicht des ersten Elektrodenmaterials auf einer zuvor bereitgestellten Trägerschicht ausgebracht. Die Trägerschicht kann nach der Herstellung der Batteriezelle entfernt werden oder an dieser verbleiben. Die Trägerschicht kann vorzugsweise elektrisch nichtleitend ausgeführt sein, wobei in diesem Fall auch die im ersten Schritt bereitgestellten ersten und zweiten Ableitelemente auf der Trägerschicht angeordnet sein können.
Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen des Verfahrens wird mindestens ein erstes und/oder mindestens ein zweites Ableitelement so positioniert, dass sie von jeder äußeren Kante der mindestens einen Schicht des ersten Elektrodenmaterials bzw. der mindestens einen Schicht des zweiten Elektrodenmaterials beabstandet sind. Mit anderen Worten werden die Ableitelemente in der Fläche positioniert, nicht am Rand der Fläche.
Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen des Verfahrens wird mindestens ein erstes und/oder mindestens ein zweites Ableitelement zumindest abschnittsweise parallel zu einer äußeren Kante der Schichten des ersten bzw. zweiten Elektrodenmaterials angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung wird also zumindest eines der Ableitelemente an einer Seite einer entsprechenden Schicht des Elektrodenmaterials angeordnet, bspw. an bzw. entlang einer längeren Seite. Hierdurch kann entlang der gesamten Elektrode ein gleichmäßiger Übergangswiderstand erreicht werden.
Es ist möglich, die jeweiligen Ableitelemente der Schichten der Elektrodenmaterialien an separaten Seiten der Batteriezelle anzuordnen, bspw. an gegenüberliegenden Seiten. Es ist auch möglich, insbesondere bei einer quaderförmigen Batteriezelle, die jeweiligen Ableitelemente der Schichten der Elektrodenmaterialien an zwei rechtwinklig aneinander anstoßenden Seiten anzuordnen. Es ist darüber hinaus möglich, an den Seiten der Batteriezelle angeordnete Ableitelemente mit in der Fläche angeordneten Ableitelementen zu kombinieren.
Die äußere Form eines elektrische leitenden Ableitelements für eine mindestens eine Schicht eines ersten Elektrodenmaterials und mindestens eine Schicht eines zweiten Elektrodenmaterials umfassende Batteriezelle, deren mindestens eine erste und zweite Schicht des Elektrodenmaterials durch eine Separatorschicht voneinander getrennt sind, und deren Elektroden- und Separatorschichten mittels additiver Fertigungsverfahren flächig übereinander angeordnet sind, stellt ein Parallelepiped, insbesondere einen Quader, einen Zylinder oder einen sich zumindest in einer Dimension kontinuierlich oder stufenförmig von einer Basis ausgehend verjüngenden Körper dar. Der sich stufenförmig oder kontinuierlich von der Basis aus verjüngende Körper kann auch rotationssymmetrisch sein, d.h. die Form mehrerer aufeinander gestapelter Ringe oder kreisförmiger Scheiben aufweisen, welche von der Basis ausgehend kleinere Durchmesser haben, oder kegel- bzw. kegelstumpfförmig sein. Das elektrisch leitende Ableitelement ist außerdem zur elektrischen Verbindung mit einem Batteriepol eingerichtet. Dazu können bspw. eine oder mehrere Anschlussfahnen vorgesehen sein, oder eine mit einem Leiter elektrisch verbindbare Fläche.
Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen des elektrisch leitenden Ableitelements weist dieses einen Hohlraum auf, welcher über mindestens eine Öffnung an eine fluidführende Leitung anschließbar ist, insbesondere an eine Kühlmittelleitung, oder welcher so ausgebildet ist, dass das Ableitelement ein Wärmerohr bildet, in welchem ein darin eingeschlossenes Fluid in einem Kreislauf zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase zirkuliert. In letzterem Fall weist das Ableitelement vorzugsweise eine Oberfläche auf, welche thermisch leitfähig mit einer Fläche oder einem Körper verbindbar ist, über welche bzw. welchen Wärme von dem Ableitelement abführbar ist.
Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen des elektrisch leitenden Ableitelements ist ein mit einer Schicht des Elektrodenmaterials in Kontakt stehender Teil der Oberfläche des Ableitelements mit Kohlenstoff beschichtet und/oder oberflächenvergrößernd strukturiert. Die Oberfläche kann bspw. stachelartig strukturiert sein oder Rippen aufweisen. Hierdurch kann u.a. der elektrische Übergangswiderstand zwischen Elektrode und Ableitelement verringert werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Batteriezelle, eine Batterie mit mehreren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Batteriezellen, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 eine Schnittdarstellung eines ersten exemplarischen Stapels mehrerer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Batteriezellen,
2 eine Draufsicht auf den ersten exemplarischen Stapel mehrerer Batteriezellen aus 1,
3 eine Draufsicht auf einen zweiten exemplarischen Stapel mehrerer Batteriezellen mit einer gegenüber der 1 geänderten Kontaktierung,
4 eine Schnittdarstellung eines zweiten exemplarischen Stapels mehrerer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Batteriezellen,
5 eine Draufsicht auf den zweiten exemplarischen Stapel mehrerer Batteriezellen aus 4,
6 eine Draufsicht auf einen dritten exemplarischen Stapel mehrerer Batteriezellen,
7 eine alternative Ausführungsform eines Ableitelements, und
8 ein Flussdiagramm eines exemplarischen erfindungsgemäßen Verfahrens.

Gleiche oder ähnliche Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen referenziert sein. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 zeigt eine Schnittdarstellung eines ersten exemplarischen Stapels 200 mehrerer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren 100 hergestellter Batteriezellen 202. Auf einer Trägerschicht 216 sind ein erstes Ableitelement 208 und ein zweites Ableitelement 210 angeordnet. Das erste und zweite Ableitelement 208, 210 weisen in dieser Darstellung jeweils einen Hohlraum 218 auf, welcher von einem Kühlmittel durchströmt ist. Auf der Trägerschicht 216 ist zunächst eine Schicht eines ersten Elektrodenmaterials 204 aufgebracht, welche sich bis an das erste Ableitelement 208 heran erstreckt und mit diesem in elektrischem Kontakt steht. Die Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 erstreckt sich jedoch nicht bis an das zweite Ableitelement 210 heran, so dass ein Freiraum entsteht. Schichten des ersten Elektrodenmaterials 204 sind in den Figuren mit einer senkrechten Schraffierung dargestellt. Auf der Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 ist eine Separatorschicht 212 aufgebracht, welche eine im Wesentlichen ebene Oberfläche ausbildet und auch den Freiraum zwischen der Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 und dem zweiten Ableitelement 210 ausfüllt. Auf dieser im Wesentlichen ebene Oberfläche ist eine Schicht des zweiten Elektrodenmaterials 206 aufgebracht, welche sich bis an das zweite Ableitelement 210 heran erstreckt und mit diesem in elektrischem Kontakt steht. Die Schicht des zweiten Elektrodenmaterials 206 erstreckt sich jedoch nicht bis an das erste Ableitelement 208 heran, so dass ein Freiraum entsteht. Schichten des zweiten Elektrodenmaterials 206 sind in den Figuren mit einer waagerechten Schraffierung dargestellt. Die bisher beschriebene Schichtung von Elektrodenmaterial 204, 206 und Separatorschicht 212 stellt eine Batteriezelle 202 dar. Die darüber abwechselnd geschichteten Schichten von Elektrodenmaterial 204, 206 mit jeweils dazwischen liegender Separatorschicht 212 bilden weitere Batteriezellen 202, welche in dem in der Figur gezeigten Stapel 200 von Batteriezellen parallelgeschaltet sind, so dass sich eine höhere Kapazität ergibt, und außerdem ein im Vergleich zu einer einzelnen Batteriezelle 202 höherer Lade- und Entladestrom erzielt werden kann.
Die Separatorschichten 212 sind über die jeweiligen Freiräume miteinander verbunden und verhindern einen direkten elektrischen Strom von einer Schicht eines Elektrodenmaterials zu einem mit dem jeweils anderen Elektrodenmaterial elektrisch leitend verbundenen Ableitelement.
In den Schichten des ersten und des zweiten Elektrodenmaterials 204, 206 kann jeweils ein elektrisch leitendes Material 214 eingebettet sein, bspw. ein Metallgewebe oder Gitter, welches mit dem entsprechenden Ableitelement 208, 210 elektrisch leitend verbunden ist, und den inneren elektrischen Widerstand der Schichten des ersten und zweiten Elektrodenmaterials 204, 206 reduzieren kann. In der Figur ist aus Gründen der Übersicht ein solches leitendes Material nur in der untersten Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 gezeigt.
Das Trägermaterial 216 kann nach der Herstellung des Stapels 200 von Batteriezellen 202 an dem Stapel 200 verbleiben oder entfernt werden. Der Stapel 200 von Batteriezellen 202 kann dann in ein Gehäuse eingebaut und elektrisch kontaktiert werden, so dass eine Batterie entsteht (nicht in der Figur gezeigt).
2 zeigt eine Draufsicht auf den ersten exemplarischen Stapel 200 mehrerer Batteriezellen 202 aus 1. In dieser Ansicht ist gut erkennbar, wie die Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204, die in dem Stapel 200 zuoberst liegt, fast die gesamte Oberfläche bedeckt, und über die gesamte Breite des Stapels 200 von Batteriezellen mit dem ersten Ableitelement 208 in elektrischem Kontakt steht. Die in der Figur nicht erkennbaren weiteren Schichten des ersten Elektrodenmaterials 204 stehen in gleicher Weise mit dem ersten Ableitelement 208 in elektrischem Kontakt. Zwischen der Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 und dem zweiten Ableitelement 208 bleibt ein Freiraum, welcher mit dem Material der Separatorschicht 212 ausgefüllt ist und so einen direkten elektrischen Kontakt verhindert. Das zweite Ableitelement 210 steht mit den in der Figur nicht sichtbaren Schichten des zweiten Elektrodenmaterials 206 in entsprechender Weise in elektrischem Kontakt, und die Schichten des zweiten Elektrodenmaterials 206 sind in entsprechender Weise von dem ersten Ableitelement 208 elektrisch getrennt.
3 zeigt eine Draufsicht auf einen zweiten exemplarischen Stapel 200 mehrerer Batteriezellen 202 mit einer gegenüber der 1 geänderten Kontaktierung. Anstelle an den kurzen Seiten der Schichten, wie in den 1 und 2 gezeigt, sind die Ableitelemente 208, 210 an den langen Seiten angeordnet. Eine Kombination der Anordnung der Ableitelemente 208, 210 an den langen und kurzen Seiten, bspw. L-förmig, ist ebenfalls denkbar (nicht in der Figur gezeigt).
4 zeigt eine Schnittdarstellung eines zweiten exemplarischen Stapels 200 mehrerer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren 100 hergestellter Batteriezellen 202. Wie in der 1 beschrieben sind auf einer Trägerschicht 216 ein erstes Ableitelement 208 und ein zweites Ableitelement 210 angeordnet, in diesem Beispiel jedoch als zylindrische Ableitelemente, welche von den Kanten der Schichten beabstandet angeordnet sind, wie in 5 besser erkennbar ist. Wie bei dem Stapel 200 aus 1 weisen das erste und zweite Ableitelement 208, 210 in dieser Darstellung jeweils einen Hohlraum 218 auf, welcher von einem Kühlmittel durchströmt ist. Auf der Trägerschicht 216 ist zunächst eine Schicht eines ersten Elektrodenmaterials 204 aufgebracht, welche sich bis an das erste Ableitelement 208 heran erstreckt und mit diesem in elektrischem Kontakt steht. Die Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 erstreckt sich jedoch nicht bis an das zweite Ableitelement 210 heran, so dass ein Freiraum entsteht. Schichten des ersten Elektrodenmaterials 204 sind in den Figuren mit einer senkrechten Schraffierung dargestellt. Auf der Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 ist eine Separatorschicht 212 aufgebracht, welche eine im Wesentlichen ebene Oberfläche ausbildet und auch den Freiraum zwischen der Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 und dem zweiten Ableitelement 210 ausfüllt. Auf dieser im Wesentlichen ebene Oberfläche ist eine Schicht des zweiten Elektrodenmaterials 206 aufgebracht, welche sich bis an das zweite Ableitelement 210 heran erstreckt und mit diesem in elektrischem Kontakt steht. Die Schicht des zweiten Elektrodenmaterials 206 erstreckt sich jedoch nicht bis an das erste Ableitelement 208 heran, so dass ein Freiraum entsteht. Schichten des zweiten Elektrodenmaterials 206 sind in den Figuren mit einer waagerechten Schraffierung dargestellt. Die bisher beschriebene Schichtung von Elektrodenmaterial 204, 206 und Separatorschicht 212 stellt eine Batteriezelle 202 dar. Die darüber abwechselnd geschichteten Schichten von Elektrodenmaterial 204, 206 mit jeweils dazwischen liegender Separatorschicht 212 bilden weitere Batteriezellen 202, welche in dem in der Figur gezeigten Stapel 200 von Batteriezellen parallelgeschaltet sind, so dass sich eine höhere Kapazität ergibt, und außerdem ein im Vergleich zu einer einzelnen Batteriezelle 202 höherer Lade- und Entladestrom erzielt werden kann.
Die Separatorschichten 212 sind über die jeweiligen Freiräume miteinander verbunden und verhindern einen direkten elektrischen Strom von einer Schicht eines Elektrodenmaterials zu einem mit dem jeweils anderen Elektrodenmaterial elektrisch leitend verbundenen Ableitelement.
In den Schichten des ersten und des zweiten Elektrodenmaterials 204, 206 kann, wie bei dem Beispiel aus 1, jeweils ein elektrisch leitendes Material 214 eingebettet sein, bspw. ein Metallgewebe oder Gitter, welches mit dem entsprechenden Ableitelement 208, 210 elektrisch leitend verbunden ist, und den inneren elektrischen Widerstand der Schichten des ersten und zweiten Elektrodenmaterials 204, 206 reduzieren kann (nicht in der Figur gezeigt).
Das Trägermaterial 216 kann nach der Herstellung des Stapels 200 von Batteriezellen 202 an dem Stapel 200 verbleiben oder entfernt werden. Der Stapel 200 von Batteriezellen 202 kann dann in ein Gehäuse eingebaut und elektrisch kontaktiert werden, so dass eine Batterie entsteht (nicht in der Figur gezeigt).
5 zeigt eine Draufsicht auf den zweiten exemplarischen Stapel 200 mehrerer Batteriezellen 202 aus 4. In dieser Figur ist gut zu erkennen, wie die Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 bis an das erste Ableitelement 208 heran reicht und mit diesem in elektrischem Kontakt steht. Das zweite Ableitelement 210 ist durch die Separatorschicht 212 von der Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 getrennt und steht mit diesem nicht in direktem elektrischem Kontakt.
6 zeigt eine Draufsicht auf einen dritten exemplarischen Stapel 200 mehrerer Batteriezellen 202. In diesem Beispiel sind die Schichten des ersten Elektrodenmaterials 204 mit in der Fläche angeordneten Ableitelementen 208 kontaktiert, während die in der Figur nicht sichtbare Schichten des zweiten Elektrodenmaterials 206 über an den langen Seiten des Stapels 200 angeordnete Ableitelemente 210 kontaktiert sind. Die Separatorschicht 212 verhindert wie in den zuvor beschriebenen Beispielen einen direkten elektrischen Kontakt zwischen der Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 und den zweiten Ableitelementen 210.
7 zeigt eine alternative beispielhafte Ausführungsform eines Ableitelements 208, 210. In diesem Beispiel ist das Ableitelemente 208, 210 stufenartig ausgeführt, wobei vorzugsweise die Stufen jeweils eine Höhe aufweisen, welche der Dicke einer der Schichten des ersten oder zweiten Elektrodenmaterials bzw. der Separatorschicht entsprechen. Auch in diesem Beispiel ist das Ableitelement 208, 210 mit einem Hohlraum 218 versehen, der von einem Kühlmittel durchströmt ist. In der Figur ist die Basis des Ableitelements 208, 210 offen dargestellt, bspw. um einen Anschluss an einen Kühlmittelkanal zu ermöglichen. Das Ableitelement 208, 210 kann auch symmetrisch, bspw. rotationssymmetrisch ausgeführt sein, so dass es die Form eines Stapels von kreisförmigen Scheiben oder Ringen annimmt.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines exemplarischen erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Herstellung einer Batteriezelle. In einem ersten Schritt 102 werden zumindest Teile der ersten und zweiten Ableitelemente 208, 210 bereitgestellt. Sofern eine Trägerschicht 216 verwendet wird, kann diese in einem davor liegenden Schritt 114 bereitgestellt werden. Anschließend wird in Schritt 104 eine Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 ausgebracht, so dass das erste Elektrodenmaterial mit dem oder den ersten Ableitelementen 208 in elektrischen Kontakt kommt, und mit dem oder den zweiten Ableitelementen 210 nicht in direktem elektrischen Kontakt steht. Dabei kann ein Freiraum zwischen der Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 und dem oder den zweiten Ableitelementen 210 entstehen. In einem optionalen Schritt 110 kann ein elektrisch leitendes Material 214 in die Schicht des ersten Elektrodenmaterials eingebettet und mit dem oder den ersten Ableitelementen 208 verbunden werden. Im dritten Schritt 106 wird eine Separatorschicht 212 ausgebracht, welche die Schicht des ersten Elektrodenmaterials 204 vollständig abdeckt und auch den Freiraum ausfüllt, so dass eine im Wesentlichen ebene Oberfläche entsteht. Im anschließenden Schritt 108 wird auf der Separatorschicht 212 eine Schicht eines zweiten Elektrodenmaterials 206 ausgebracht, so dass das zweite Elektrodenmaterial mit dem oder den zweiten Ableitelementen 210 in elektrischen Kontakt kommt, und mit dem oder den ersten Ableitelementen 208 nicht in direktem elektrischen Kontakt steht. Dabei kann ein Freiraum zwischen der Schicht des zweiten Elektrodenmaterials 206 und dem oder den ersten Ableitelementen 208 entstehen. In einem optionalen Schritt 110 kann ein elektrisch leitendes Material 214 in die Schicht des ersten Elektrodenmaterials eingebettet und mit dem oder den zweiten Ableitelementen 210 verbunden werden.
Wenn nur eine einzelne Batteriezelle 202 hergestellt werden soll, kann in Schritt 112 der Freiraum um das oder die ersten Ableitelemente mit dem Material der Separatorschicht 212 oder einem elektrisch nicht leitenden Material ausgefüllt werden, und in Schritt 116 kann die Trägerschicht 216 entfernt werden, falls sie nicht an der Batteriezelle 202 verbleibt.
Wenn ein Stapel 200 von Batteriezellen 202 hergestellt wird, wird anstelle des Füllens des Freiraums in einem weiteren Schritt 106 eine Separatorschicht 212 auf die zuletzt aufgebrachte Schicht des zweiten Elektrodenmaterials 206 aufgebracht, und das Verfahren 100 kann mit dem Schritt 104 wiederholt werden. In diesem Fall kann das Verfahren nach dem Aufbringen jeder weiteren Schicht eines Elektrodenmaterials und dem Füllen des oder der um das oder die nicht mit der zuletzt aufgebrachten Schicht des Elektrodenmaterials in Kontakt stehenden Ableitelemente gebildeten Freiräume beendet werden.
Bezugszeichenliste

100: Verfahren
102: Bereitstellen der Ableitelemente
104: Ausbringen einer Schicht des ersten Elektrodenmaterials
106: Ausbringen einer Separatorschicht
108: Ausbringen einer Schicht des zweiten Elektrodenmaterials
110: Einbetten eines elektrisch leitenden Materials
112: Freiraum füllen
114: Bereitstellen einer Trägerschicht
116: Entfernen der Trägerschicht
200: Stapel von Batteriezellen
202: Batteriezelle
204: Schicht ersten Elektrodenmaterials
206: Schicht zweiten Elektrodenmaterials
208: erstes Ableitelement
210: zweites Ableitelement
212: Separatorschicht
214: elektrisch leitendes Material
216: Trägerschicht
218: Hohlraum

Claims

Verfahren (100) zur Herstellung einer Batteriezelle (202) mit mindestens einer Schicht eines ersten Elektrodenmaterials (204) und mindestens einer Schicht eines zweiten Elektrodenmaterials (206), umfassend: a) Bereitstellen (102) mindestens jeweils eines Teils eines elektrisch leitenden ersten und zweiten Ableitelements (208, 210) für die mindestens eine Schicht des ersten Elektrodenmaterials (206) und die mindestens eine Schicht des zweiten Elektrodenmaterials (204), wobei die Ableitelemente (208, 210) mit einem Pluspol bzw. einem Minuspol einer Batterie verbindbar sind, b) Ausbringen (104) einer Schicht des ersten Elektrodenmaterials (204), wobei die Schicht des ersten Elektrodenmaterials (204) sich bündig bis das mindestens eine erste Ableitelement (204) heran erstreckt und mit diesem stoffschlüssig in elektrischen Kontakt gebracht ist, und wobei die Schicht des ersten Elektrodenmaterials (204) von dem mindestens einen zweiten Ableitelement (210) beabstandet endet, so dass ein Freiraum zwischen der Schicht des ersten Elektrodenmaterials (204) und dem mindestens einen zweiten Ableitelement (210) entsteht und die Schicht des ersten Elektrodenmaterials (204) nicht in elektrischen Kontakt mit dem mindestens einen zweiten Ableitelement (210) gelangt, c) Ausbringen (106) einer sich über die gesamte Schicht des ersten Elektrodenmaterials (204) bündig an das mindestens eine erste Ableitelement (208) und das mindestens eine zweite Ableitelement (210) heran erstreckenden Separatorschicht (212), wobei die Separatorschicht (212) eine im Wesentlichen ebene Oberfläche ausbildet, d) Ausbringen (108) einer Schicht des zweiten Elektrodenmaterials (206), wobei die Schicht des zweiten Elektrodenmaterials (206) sich bündig bis das mindestens eine zweite Ableitelement (210) heran erstreckt und mit diesem stoffschlüssig in elektrischen Kontakt gebracht ist, und wobei die Schicht des zweiten Elektrodenmaterials (206) von dem mindestens einen ersten Ableitelement (208) beabstandet endet, so dass ein Freiraum zwischen der Schicht des zweiten Elektrodenmaterials (206) und dem mindestens einen ersten Ableitelement (208) entsteht und die Schicht des zweiten Elektrodenmaterials (206) nicht in elektrischen Kontakt mit dem mindestens einen ersten Ableitelement (208) gelangt.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die Ableitelemente (208, 210) zur Kontaktierung mehrerer jeweiliger Schichten des ersten bzw. zweiten Elektrodenmaterials (204, 206) ausgelegt sind, außerdem umfassend: - Wiederholen des Schritts c), und - wiederholen des Schritts b) oder der Schritte b) bis d).
Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, außerdem umfassend: - Einbetten (110) eines elektrisch leitenden Materials (214) in einem oder mehreren sich parallel zu der Oberfläche erstreckenden Streifen in mindestens eine der Schichten des ersten und/oder des zweiten Elektrodenmaterials (204, 206).
Verfahren (100) nach Anspruch 3, außerdem umfassend: - elektrisches Verbinden (112) des elektrisch leitenden Materials (214) mit dem mindestens einen Ableitelement (208, 210) der entsprechenden Schicht des ersten bzw. des zweiten Elektrodenmaterials (204, 206).
Verfahren (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, außerdem umfassend: - Bereitstellen (114) einer Trägerschicht (216), wobei die in Schritt b) ausgebrachte Schicht des ersten Elektrodenmaterials (204) auf der Trägerschicht (216) ausgebracht wird.
Verfahren (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, außerdem umfassend: - Positionieren (116) mindestens eines ersten und/oder mindestens ein zweites Ableitelements (208, 210) derart, dass sie von jeder äußeren Kante der mindestens einen Schicht des ersten Elektrodenmaterials (204) bzw. der mindestens einen Schicht des zweiten Elektrodenmaterials (206) beabstandet sind.
Verfahren (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein erstes und/oder mindestens ein zweites Ableitelement (208, 210) zumindest abschnittsweise parallel zu einer äußeren Kante der Schichten des ersten bzw. zweiten Elektrodenmaterials (204, 206) angeordnet sind.
Elektrisch leitendes Ableitelement (208, 210) für eine mindestens eine Schicht eines ersten Elektrodenmaterials (204) und mindestens eine Schicht eines zweiten Elektrodenmaterials (206) umfassende Batteriezelle (202), wobei die mindestens eine erste und zweite Schicht des Elektrodenmaterials (204, 206) durch eine Separatorschicht (212) voneinander getrennt sind, wobei die Elektroden- und Separatorschichten (204, 106, 212) mittels eines oder mehrerer additiver Fertigungsverfahren flächig übereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Ableitelement (208, 210) die äußere Form eines Parallelepipeds, insbesondere eines Quaders, eines Zylinders oder eines sich zumindest in einer Dimension kontinuierlich oder stufenförmig von einer Basis ausgehend verjüngenden Körpers aufweist, und wobei das Ableitelement (208, 210) zur elektrischen Verbindung mit einem Batteriepol eingerichtet ist.
Elektrisch leitendes Ableitelement (208, 210) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ableitelement (208, 210) einen Hohlraum (218) aufweist, welcher über mindestens eine Öffnung an eine fluidführende Leitung anschließbar ist, insbesondere an eine Kühlmittelleitung, oder welcher so ausgebildet ist, dass das Ableitelement (208, 210) ein Wärmerohr bildet, in welchem ein darin eingeschlossenes Fluid in einem Kreislauf zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase zirkuliert.
Elektrisch leitendes Ableitelement (208, 210) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer Schicht des Elektrodenmaterials (204, 206) in Kontakt stehender Teil der Oberfläche des Ableitelements (208, 210) mit Kohlenstoff beschichtet und/oder oberflächenvergrößernd strukturiert ist.
Nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellte Batteriezelle (202) mit mindestens einem Ableitelement (208, 210) nach einem der Ansprüche 8-10.
Batterie mit mehreren Batteriezellen (202) nach Anspruch 11.
Fahrzeug mit einer Batterie nach Anspruch 12.