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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine elektrische Energiespeicherzelle, eine Elektrode sowie eine Energiespeicherzelle.
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In elektrischen Energiespeicherzellen, wie beispielsweise Lithiumionenzellen, werden flüssige Elektrolyte eingesetzt, um den Ionentransport zwischen den Batterieelektroden zu gewährleisten. Die Elektrolytverteilung beeinflusst maßgeblich die ionische Leitfähigkeit sowie die Entladekapazität der Zelle und ist somit ein ausschlaggebender Faktor für Performance und Qualität der Zelle. Aus diesem Grund wird eine vollständige und gleichmäßige Durchtränkung des Porenvolumens der Beschichtung der Elektrode mit Elektrolyt angestrebt. Dazu müssen die Zellen nach der Elektrolytbefüllung für längere Zeit lagern, um die von Kapillarkräften getriebene Verteilung des Elektrolyts innerhalb der Elektrodenstruktur zu ermöglichen. Um die volumetrische Energiedichte möglichst zu erhöhen und die Kontaktierung der Partikel innerhalb der Beschichtung der Elektrode zu verbessern, werden die Elektroden, also die mit Beschichtungsmaterial beschichteten Stromableiterfolien, kalandriert. Dabei wird die Beschichtungsoberfläche verdichtet und Hohlräume innerhalb der Beschichtung werden verkleinert. Neben den vorgenannten positiven Effekten, die die Kalandrierung mit sich bringt, führt dieser Prozess allerdings auch dazu, dass das Einziehen des Elektrolyten in die Elektrodenbeschichtung erschwert wird. Die Elektrolytbefüllung dauert entsprechend länger, was den Herstellungsprozess verlangsamt und verteuert.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, eine Elektrode sowie eine Energiespeicherzelle anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile beseitigen, wobei insbesondere eine Elektrode angegeben wird, welche höchsten Leistungsanforderungen genügt, bei gleichzeitig geringen Herstellkosten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch eine Elektrode gemäß Anspruch 10 sowie durch eine Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 11 gelöst.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine elektrische Energiespeicherzelle die Schritte:
- - Bereitstellen eines Trägermaterials;
- - Beschichten des Trägermaterials mit Beschichtungswerkstoff zum Erzeugen einer Beschichtung;
- - Strahlen oder Bestrahlen der Beschichtung, insbesondere zum Aktivieren oder Aufrauen derselben.
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Bei dem Trägermaterial handelt es sich insbesondere um eine, bevorzugt metallische, Trägerfolie, auch Ableiterfolie genannt. Typischerweise wird als Werkstoff für das Trägermaterial oder die Trägerfolie der Anode Kupfer verwendet, für das Trägermaterial bzw. die Trägerfolie der Kathode eine Aluminiumfolie. Typische Foliendicken schwanken je nach Zelldesign zwischen 4 µm und 25 µm. Bevorzugt werden die Trägermaterialien/Trägerfolien auf einer Breite von bis zu etwa 900 mm in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess beschichtet. Die Beschichtung kann ein- oder beidseitig, sequenziell oder simultan, erfolgen. Mit Vorteil kann über das Strahlen oder Bestrahlen ein Aktivieren oder Aufrauen der Beschichtung erfolgen. Zweckmäßigerweise wird beispielsweise eine Porosität der Beschichtung, zumindest oberflächennah, mittels Strahlen/Bestrahlen geändert oder eingestellt, zweckmäßigerweise insbesondere erhöht.
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Die Strahltechnik ist ein Teilgebiet der Oberflächentechnik, bei der Strahlmittel mit hoher Geschwindigkeit auf ein Werkstück gelenkt werden. Als Energieträger stehen Druckluft, Druckflüssigkeiten, elektrostatische oder elektromagnetische Felder sowie Schleuderräder zur Verfügung. Das Strahlergebnis hängt neben der Verfahrensführung selbst im Wesentlichen von der Art des ausgewählten Strahlmittels ab. Je nach Art der Verfahrensführung und der verwendeten Strahlmittel können die unterschiedlichsten technischen Effekte erzielt werden. Vorliegend wird das Strahlen bevorzugt dazu verwendet, die Beschichtung zu aktivieren, insbesondere aufzurauen und/oder Poren zu erzeugen. Mögliche weitere Effekte, welche unter dem Ausdruck „Aktivieren“ subsummiert werden können, sind daneben: Verfestigen, Aufrauen, Strukturieren bzw. allgemein das Bewirken abrasiver Effekte.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird vorliegend Druckluftstrahlen verwendet. Hierbei wird ein bevorzugt festes Strahlmittel verwendet, welches durch Druckluft beim Durchströmen einer Düse beschleunigt wird. Durch den Aufprall der Strahlmittel auf die zu bearbeitende Oberfläche eines Werkstücks, vorliegend der Beschichtung, kann diese abgetragen, verfestigt und/oder umgeformt bzw. strukturiert werden, wobei die vorgenannte Aufzählung nicht abschließend zu verstehen ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Strahlen mittels CO2-Schneestrahlen.
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Das CO2-Schneestrahlen ist ein bevorzugtes Druckluftverfahren, da die abrasive Wirkung sehr gering und damit für den vorgenannten Zweck optimal geeignet ist. Zudem bleiben keinerlei Rückstände erhalten, welche ggf. die Chemie der Beschichtung beeinflussen würden. Beim CO2-Schneestrahlen wird als Strahlmittel Kohlenstoffdioxid eingesetzt.
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Bevorzugt wird vorliegend mit einer Zweistoffringdüse gearbeitet, da diese Verfahrensvariante weniger abrasiv ist. Alternativ kann auch eine Strahldüse mit Agglomerationskammer verwendet werden.
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Zweckmäßigerweise werden vorliegend beim CO2-Schneestrahlen CO2-Schneepartikel mit Hilfe eines Druckluftstrahls auf die Beschichtung beschleunigt, wo sie unter anderem abrasiv wirken. Auf diese Weise werden dort kleine Kanäle und/oder Poren erzeugt, durch die der Elektrolyt eindringen und sich verteilen kann. Die Durchtränkung des Porenvolumens der Beschichtung wird beschleunigt und die Standzeit der Zelle nach der Elektrolytbefüllung kann verkürzt werden. Dies hat eine wesentliche Reduktion der Herstellungskosten für Energiespeicherzellen bzw. Elektroden zur Folge.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Strahlen nach dem Kalandrieren der Beschichtung.
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Beim Kalandrieren bzw. beim Kalandern wird das beschichtete Trägermaterial durch ein oder mehrere rotierende Walzenpaare verdichtet. Hierbei wird ein definierter Liniendruck erzeugt, über welchen die Porosität der Beschichtung verringert und die Kontaktierung der Partikel innerhalb der Beschichtung verbessert wird. Mit Vorteil können nun diese beiden Vorgänge durch das nachträgliche Strahlen der Beschichtung voneinander entkoppelt werden. Insbesondere kann beispielsweise die Porosität über das Strahlen nach dem Kalandern wieder erhöht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Verlagern des Trägermaterials beim Strahlen.
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Zweckmäßigerweise wird das Strahlen direkt bzw. unmittelbar in den Rolle-zu-Rolle-Prozess integriert. Zweckmäßigerweise erfolgt das Strahlen bzw. die Bestrahlung direkt nach dem Kalandrieren und wird in den Rolle-zu-Rolle-Prozess integriert. Die Vorrichtung zum Strahlen bzw. die Strahlvorrichtung ist hierbei zweckmäßigerweise ortsfest installiert, während das Trägermaterial bzw. die Trägerfolie verlagert wird. Dieses kann in Abstimmung mit dem Strahlen kontinuierlich oder intermittierend erfolgen.
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Die Vorrichtung zum Strahlen umfasst gemäß einer Ausführungsform mehrere Düsen, welche beispielsweise in einer Reihe quer zur Bahnrichtung, installiert sind. Die Düsen können fest oder beweglich ausgebildet sein, sodass bei Bedarf mit Vorteil auch ein Strahlwinkel, relativ zur Beschichtungsoberfläche, eingestellt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Lokales oder bereichsweises Strahlen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, nicht die gesamte Beschichtung vollflächig zu Strahlen. Das bereichsweise oder lokale Strahlen ermöglicht ein nur lokales oder bereichsweises Aktivieren bzw. eine bereichsweise Einstellung der Eigenschaften der Beschichtung/Elektrode. Entlang einer Bahnrichtung der Elektrodenbahn können beispielsweise Streifen erzeugt werden, in welchen die Porosität erhöht ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Strahlen so geführt, dass die Beschichtung gleichmäßig gestrahlt wird, die Beschichtung in allen Bereichen also möglichst gleich aktiviert ist.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Intermittierendes Strahlen.
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Beim intermittierenden Strahlen wird ein Bereich der Beschichtung mit beispielsweise nur einem, ggf. auch mehreren, Strahlstößen bestrahlt. Das intermittierende Strahlen kann vorteilhaft sein, wenn die Beschichtung nur möglichst oberflächennah bearbeitet werden soll.
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Alternativ erfolgt ein kontinuierliches Strahlen. Die Strahlvorrichtung läuft hierbei kontinuierlich.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Abwickeln des Trägermaterials;
- - Beschichten des Trägermaterials;
- - Bevorzugt Trocknen der Beschichtung;
- - Kalandern der Beschichtung;
- - Strahlen der Beschichtung;
- - Aufwickeln des Trägermaterials.
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Die vorgenannte Verfahrenskette kann auch noch dem Verfahrensschritt des „Slittens“ beinhalten, bei welchem es sich um einen Trennvorgang handelt, bei dem ein breites Elektrodenband (Muttercoil) in mehrere, kleinere Elektrodenbänder (Tochtercoil) unterteilt wird. Zweckmäßigerweise wird vorliegend die Bestrahlung in den Rolle-zu-Rolle-Prozess integriert, vgl. das vorgenannte Abwickeln bzw. Aufwickeln. Zweckmäßigerweise werden hierzu mehrere Mittel zum Strahlen, insbesondere CO2-Schneestrahldüsen, zu einem Array (vgl. die vorgenannte Reihe) zusammengefasst und über der darunter durchlaufenden Elektrodenbahn angebracht. Dadurch kann eine vollständige Bestrahlung über die gesamte Beschichtungsbreite ermöglicht werden.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Bereitstellen einer Vielzahl von Strahldüsen, insbesondere quer zu einer Bahnrichtung des Trägermaterials.
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Die Verdichtung der Elektrodenoberfläche bzw. der Beschichtung durch das Kalandrieren hat besonders für Kathoden zur Folge, dass das Einziehen des Elektrolyten in die Beschichtung erschwert wird. Entsprechend handelt es sich bei der Elektrode vorliegend bevorzugt um eine Kathode.
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Weiter richtet sich die Erfindung auf eine Elektrode, insbesondere eine Kathode, insbesondere hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die Porosität der Elektrodenbeschichtung mittels Strahlen, insbesondere CO2-Schneestrahlen, eingestellt ist. Es gelten die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile für die Elektrode analog und entsprechend.
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Weiter richtet sich die Erfindung auf eine Energiespeicherzelle, umfassend eine erfindungsgemäße Elektrode. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Energiespeicherzelle eine Energiespeicherzelle, wie sie in einem Energiespeicher für teil- oder vollelektrisch betriebene Kraftfahrzeuge verwendet wird. Energiespeicherzellen der in Rede stehenden Art sind Energiespeicherzellen, welche mit einem flüssigen Elektrolyt befüllt werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine Skizze zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des Verfahrens;
- 2: die aus der 1 bekannte Skizze in einer anderen Perspektive.
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Die 1 zeigt in einer Seitenansicht eine Elektrode, umfassend ein Trägermaterial bzw. eine Trägerfolie 10 sowie eine Beschichtung 12, wobei diese aufgrund ihrer geringen Dicke in der Seitenansicht nicht als solche zu erkennen ist. Dargestellt ist ein Rolle-zu-Rolle-Prozess. Hierbei wird von einer Rolle 41 das Elektrodenmaterial abgewickelt, um dann wieder auf einer Rolle 42 aufgewickelt zu werden. Dazwischen finden mehrere Verfahrensschritte statt. Insbesondere erfolgt nach einem hier nicht gezeigten Beschichtungsvorgang ein Kalandern, vgl. die Kalanderwalzen 50. Hierbei wird die Porosität der Beschichtung 12 eingestellt, insbesondere verringert, sowie die Kontaktierung der Partikel innerhalb der Beschichtung 12 erhöht. Das Bezugszeichen B kennzeichnet eine Bahnrichtung des Trägermaterials 10 bzw. der Elektrodenbahn. Zweckmäßigerweise unmittelbar nach dem Kalandern erfolgt ein Strahlen bzw. Bestrahlen der Beschichtung 12, vorliegend nur von einer Seite dargestellt. Hierzu ist eine Strahlvorrichtung 20 relativ zu der Elektrodenbahn angeordnet. Bei der Strahlvorrichtung 20 handelt es sich insbesondere um eine Vorrichtung zum CO2-Schneestrahlen. Bezugszeichen 22 skizziert einen Strahl bzw. eine Strahlrichtung, welcher zur Aktivierung auf die Beschichtung 12 gerichtet ist.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die aus der 1 bekannte Skizze. Insbesondere ist hier zu erkennen, dass die Strahlvorrichtung 20 vorliegend mehrere Düsen umfasst, sodass vorliegend insgesamt vier Strahlen 22, skizziert über die gestrichelten Kreise, erzeugt werden können. In der Folge kann die Beschichtung 12 vollflächig bzw. vollständig bestrahlt werden, während sie gleichzeitig entlang der Bahnrichtung B bewegt wird. Die Strahlen 22 sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform im Wesentlichen senkrecht zur Beschichtung 12 orientiert. Alternativ kann hier aber, um die Strahlwirkung zu beeinflussen, auch mit unterschiedlichen Winkeln gearbeitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Trägermaterial
- 12
- Beschichtung
- 20
- Strahlvorrichtung
- 22
- Strahl
- 41
- Rolle
- 42
- Rolle
- 50
- Kalanderwalzen
- B
- Bahnrichtung
