DE102021131510A1

DE102021131510A1 - Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenschicht für einen Elektrodenwickel einer Batteriezelle, Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenwickels für eine Batteriezelle und Batteriezelle

Info

Publication number: DE102021131510A1
Application number: DE102021131510.7A
Authority: DE
Inventors: Niclas Emrich; Christoph PILLER
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2021-12-01
Publication date: 2023-06-01

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenschicht (10) für einen Elektrodenwickel (200) einer Batteriezelle (300) angegeben, bei dem ein längs gerichteter Sollverformungsbereich (103) in einem Kontaktbereich (101) an einer längs gerichteten Außenkante (102) einer Kollektorfolie (1) zwischen einem äußeren Teil (104) und einem inneren Teil (105) der Kollektorfolie (1) ausgebildet (S12) wird. Es werden ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenwickels (200) für eine Batteriezelle (300) und eine entsprechende Batteriezelle (300) angegeben.

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenschicht für einen Elektrodenwickel einer Batteriezelle angegeben. Darüber hinaus werden ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenwickels für eine Batteriezelle und eine Batteriezelle angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, bei dem eine Batteriezelle erzeugt werden kann, die einfach und zuverlässig elektrisch kontaktierbar ist. Des Weiteren soll eine derartige Batteriezelle angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Implementierungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß eines ersten Aspekts wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenschicht für einen Elektrodenwickel einer 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.
Als Elektrodenwickel wird im Allgemeinen eine aufgewickelte Schichtenfolge mit wenigstens einer Elektrodenschicht bezeichnet. Beispielsweise weist ein solcher Elektrodenwickel eine zylindrische Form auf und kann auch als „Jelly-Roll“ bezeichnet werden.
Die Elektrodenschicht erstreckt sich beispielswese entlang einer Haupterstreckungsebene. Laterale Richtungen sind parallel zur Haupterstreckungsebene orientiert und eine vertikale Richtung senkrecht zu der Haupterstreckungsebene. Die Elektrodenschicht umfasst weiterhin beispielsweise eine Haupterstreckungsrichtung, die im Folgenden auch als Längsrichtung („längs gerichtet“) bezeichnet werden kann.
Die Elektrodenschicht weist eine Länge und eine Breite in lateralen Richtungen auf. Die Länge der Elektrodenschicht verläuft parallel zur Haupterstreckungsrichtung und die Breite der Elektrodenschicht verläuft quer zur Haupterstreckungsrichtung, insbesondere senkrecht. Die Länge ist beispielsweise mindestens fünfmal größer als die Breite, insbesondere mindestens zehnmal größer. Beispielsweise weist die Elektrodenschicht eine Breite auf, die mindestens 40 mm und höchstens 300 mm, insbesondere 80 mm, ist.
Für den Einsatz in einem Elektrodenwickel werden beispielsweise mehrere Elektroden- und Separatorschichten in vertikaler Richtung zu einer Schichtenfolge gestapelt.
Die Elektrodenschicht ist beispielsweise mit einem aktiven Elektrodenmaterial gebildet oder ist daraus geformt. Hier und im Folgenden soll der Begriff „Anode“ auf eine negative Elektrode und der Begriff „Kathode“ auf eine positive Elektrode der Batteriezelle verweisen.
Insbesondere ist die Elektrodenschicht mit einem aktiven Anodenmaterial geformt oder ist daraus gebildet. In diesem Fall handelt es sich bei der Elektrodenschicht um eine Anodenschicht der Batteriezelle.
Die Anodenschicht weist beispielsweise ein Anodenaktivmaterial auf, das beispielsweise ein Material aus der Gruppe bestehend aus kohlenstoffhaltigen Materialien, Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Aluminiumlegierungen, Indium, Indiumlegierungen, Zinn, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon umfasst. Insbesondere ist das Anodenaktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fulleren, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Silizium, oberflächenbeschichteten Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Lithium, Aluminiumlegierungen, Indium, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon.
Die Anodenschicht kann durch Auftragen des Anodenaktivmaterials auf einen Anodenstromkollektor hergestellt werden. Beispielsweise wird das Anodenaktivmaterial auf beide Hauptflächen des Anodenstromkollektors aufgebracht. Nachfolgend kann eine derartige Anordnung durch Trocknen und Pressen zur Anodenschicht geformt werden. Ein leitfähiges Material, ein Bindemittel, ein Füllstoff und/oder andere Materialien können je nach Bedarf selektiv zum Anodenaktivmaterial hinzugefügt werden.
Der Anodenstromkollektor weist beispielsweise eine Dicke von mindestens 3 µm bis höchstens 500 µm auf. Für den Anodenstromkollektor kann ohne Einschränkung 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. Eine Haftfähigkeit des Anodenaktivmaterials kann 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, eins Netzes, eines porösen Materials, eines geschäumten Materials, eines nicht gewebten Materials oder ähnlichen Materialien vor.
Alternativ ist die Elektrodenschicht mit einem aktiven Kathodenmaterial geformt oder ist daraus gebildet. In diesem Fall handelt es sich bei der Elektrodenschicht um eine Kathodenschicht der Batteriezelle.
Die Kathodenschicht weist beispielsweise ein Kathodenaktivmaterial auf. Das Kathodenaktivmaterial kann eine Vielzahl von Partikeln aufweisen, die in einen Elektrodenbinder eingebunden sind. Das Kathodenaktivmaterial kann ein Schichtoxid wie beispielsweise ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), ein Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), ein Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Oxid (LNCO) aufweisen. Das Schichtoxid kann insbesondere ein überlithiiertes Schichtoxid (OLO, overlithiated layered oxide) sein. Andere geeignete Kathodenaktivmaterialien sind Verbindungen mit Spinellstruktur wie z.B. Lithium-Mangan-Oxid (LMO) oder Lithium-Mangan-NickelOxid (LMNO), oder Verbindungen mit Olivinstruktur wie z.B. Lithium-Eisen-Phosphat (LFP, LiFePO4) oder Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat (LMFP).
Die Kathodenschicht kann z. B. durch Auftragen einer Aufschlämmung einer Mischung aus dem Kathodenaktivmaterial, einem leitfähigen Material und einem Bindemittel auf einen Kathodenstromkollektor hergestellt werden. Beispielsweise wird das Kathodenaktivmaterial, insbesondere die Mischung, auf beide Hauptflächen des Kathodenstromkollektors aufgebracht. Nachfolgend kann eine derartige Anordnung durch Trocknen und Pressen zur Kathodenschicht geformt werden. Je nach Bedarf kann der Mischung ein Füllstoff zugesetzt werden.
Der Kathodenstromkollektor weist beispielsweise eine Dicke von mindestens 3 µm bis höchstens 500 µm auf. Für den Kathodenstromkollektor kann ohne Einschränkung ein Material verwendet werden, das in der Batteriezelle keine chemischen Veränderungen induziert und eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Zum Beispiel können 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. Wie beim Anodenstromkollektor kann auch beim Kathodenstromkollektor eine Haftfähigkeit des Kathodenaktivmaterials durch die Ausbildung einer Prägung auf einer oder beiden der Hauptflächen des Kathodenstromkollektors erhöht werden. Der Kathodenstromkollektor liegt beispielsweise in Form eines Films, eins Blatts, einer Folie, eins Netzes, eines porösen Materials, eines geschäumten Materials, eins nicht gewebten Materials oder ähnlichen Materialien vor.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird eine Kollektorfolie mit einem Kontaktbereich an einer längs gerichteten Außenkante der Kollektorfolie bereitgestellt.
Bei der Kollektorfolie handelt es sich je nach Ausgestaltung der herzustellenden Elektrodenschicht um vorgenannten Anodenstromkollektor oder Kathodenstromkollektor. Bei dem Kontaktbereich handelt es sich um einen Abschnitt der Kollektorfolie quer zur Längsrichtung, welcher auch nach einem Schritt des Auftragens von aktivem Elektrodenmaterial auf die (restliche) Elektrodenschicht frei von aktivem Elektrodenmaterial ist. Der Abschnitt erstreckt sich von der Außenkante der Kollektorfolie über eine vorgegebene Breite der Kollektorfolie, beispielhaft über 3 mm bis 20 mm. Insbesondere ist der Kontaktbereich zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschicht vorgesehen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird ein längs gerichteter Sollverformungsbereich in dem Kontaktbereich zwischen einem der Außenkante zugewandten äußeren Teil der Kollektorfolie und einem der Außenkante abgewandten inneren Teil der Kollektorfolie ausgebildet. Der Sollverformungsbereich kann auch als „Sollknickstelle“ oder „Sollbiegestelle“ bezeichnet werden. Hierunter wird ein in Längsrichtung, insbesondere parallel zur Außenkante verlaufender Bereich verstanden, der beiträgt, dass bei einer Krafteinwirkung auf die Kollektorfolie mit einer Komponente senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung und parallel zu der Haupterstreckungsebene eine Verformung der Kollektorfolie erwirkt wird, bei der der äußere Teil eine im Vergleich zu dem inneren Teil stärkere, insbesondere zielgerichtete Abweichung von der Haupterstreckungsebene erfährt. Beispielhaft ist in diesem Zusammenhang eine Biegesteifigkeit des äußeren Teils gegenüber dem inneren Teil herabgesetzt. Alternativ oder zusätzlich ist die Biegesteifigkeit des Sollverformungsbereichs gegenüber dem inneren Teil herabgesetzt. Ebenso denkbar ist eine zumindest bereichsweise Versteifung des inneren Teils, insbesdonere im Kontaktbereich, gegenüber dem Sollverformungsbereich und/oder dem äußeren Teil.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird eine Kollektorfolie mit einem Kontaktbereich an einer längs gerichteten Außenkante der Kollektorfolie bereitgestellt und ein längs gerichteter Sollverformungsbereich in dem Kontaktbereich zwischen einem der Außenkante zugewandten äußeren Teil der Kollektorfolie und einem der Außenkante abgewandten inneren Teil der Kollektorfolie ausgebildet. Hierdurch kann bei Herstellung eines Elektrodenwickels eine zielgerichtete Verformung des äußeren Teils erreicht werden, wodurch eine elektrische Kontaktierung des Elektrodenwickels bzw. einer Batteriezelle mit einem solchen Elektrodenwickel besonders einfach und zuverlässig realisierbar ist. Der verformte, äußere Teil der Kollektorfolie kann auch als Anschlusselektrode bezeichnet werden. Durch Vorsehen des Sollverformungsbereichs können unnötige Lufteinschlüsse durch zuällige Knickstellen des Kontaktbereichs und/oder Unebehenheiten in einer durch die Anschlusselektrode gebildeten Fläche weitestgehend vermieden werden, so dass eine nachfolgende elektrische Kontaktierung des Elektrodenwickels bzw. einer Batteriezelle etwa durch ein aufgeschweisstes Stromableiterelement verbessert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird der Sollverformungsbereich durch gezielte Schwächung einer Steifigkeit der Kollektorfolie in dem äußeren Teil der Kollektorfolie ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird der Sollverformungsbereich durch gezielte Versteifung der Kollektorfolie in dem inneren Teil der Kollektorfolie ausgebildet. Insbesondere erfolgt die Versteifung unabhängig von elastischen Eigenschaften der Kollektorfolie (dem Elastizitätsmodul) durch Veränderung der Geometrie. Unter einer Versteifung wird eine gezielte Erhöhung der Steifigkeit verstanden. Die Veränderung der Geometrie erfolgt bevorzugt innerhalb des Kontaktbereichs. Insbondere erfolgt die Veränderung der Geometrie dabei beabstandet von einem mit aktivem Elektrodenmaterial beschichteten Teil der Kollektorfolie, etwa um mindestens 0,5 mm.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist der Sollverformungsbereich ausgehend von einer der Außenkante abgewandten Seite des Kontaktbereichs innerhalb eines Drittels des Kontaktbereichs angeordnet. In vorteilhafter Weise können so eine geeignete Größe der Anschlusselektrode erzielt und zugleich das Risiko eines Kurzschlusses durch Verformung der Kollektorfolie außerhalb des Kontaktbereichs gesenkt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist der Sollverformungsbereich von einer der Außenkante abgewandten Seite des Kontaktbereichs um 0,5 mm bis 5 mm beabstandet. In vorteilhafter Weise können so eine geeignete Größe der Anschlusselektrode erzielt und zugleich das Risiko eines Kurzschlusses durch Verformung der Kollektorfolie außerhalb des Kontaktbereichs gesenkt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt kommt beim Ausbilden des Sollverformungsbereichs ein Verfahren zur Perforation oder zum Weichglühen des Kontaktbereichs zur Anwendung, oder der Sollverformungsbereich wird dadurch ausgebildet. Insbesondere kann hierdurch besagte Schwächung der Steifigkeit der Kollektorfolie umgesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird der Sollverformungsbereich im Rahmen einer thermischen Behandlung des Kontaktbereichs zur Reduktion des Camber-Effekts, etwa mittels induktiver Randzonenheizung (engl. „Edge heating“) ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt kommt beim Ausbilden des Sollverformungsbereichs ein Verfahren zum Eindrücken oder zum Tiefziehen der Kollektorfolie zur Anwendung, oder der Sollverformungsbereich wird dadurch ausgebildet. Insbesondere kann hierdurch besagte Versteifung der Kollektorfolie umgesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt werden beim Ausbilden des Sollverformungsbereichs in dem inneren Teil der Kollektorfolie eine oder mehrere Sicken und/oder eine oder mehrere Rippen ausgebildet. Insbesondere kann hierdurch besagte Versteifung der Kollektorfolie umgesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird Elektrodenaktivmaterial auf die Kollektorfolie aufgetragen. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang Anodenaktivmaterial auf einen Anodenstromkollektor oder eine Aufschlämmung einer Mischung aus Kathodenaktivmaterial, leitfähigem Material und Bindemittel auf einen Kathodenstromkollektor aufgetragen. Der Auftrag kann vor oder nach Ausbilden des Sollverformungsbereichs erfolgen.
Gemäß eines zweiten Aspekts wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenwickels für eine Batteriezelle angegeben. Sämtliche im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt beschriebenen Definitionen, Merkmale, Effekte und Vorteile treffen gleichwohl im Zusammenhang mit dem zweiten Aspekt zu und umgekehrt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt wird eine Folie bereitgestellt. Die Folie umfasst eine erste Elektrodenschicht, eine erste Separatorschicht, eine zweite Elektrodenschicht und eine zweite Separatorschicht.
Die Folie kann auch als Schichtenfolge, Stapel oder Stapelaufbau bezeichnet werden.
Die Folie erstreckt sich beispielswese entlang einer Haupterstreckungsebene. Laterale Richtungen sind parallel zur Haupterstreckungsebene orientiert und eine vertikale Richtung senkrecht zu der Haupterstreckungsebene. Die Folie umfasst weiterhin beispielsweise eine Haupterstreckungsrichtung.
Die Folie weist eine Länge und eine Breite in lateralen Richtungen auf. Die Länge der Folie verläuft parallel zur Haupterstreckungsrichtung und die Breite der Folie verläuft quer zur Haupterstreckungsrichtung, insbesondere senkrecht. Die Länge ist beispielsweise mindestens fünfmal größer als die Breite, insbesondere mindestens zehnmal größer.
Die erste Elektrodenschicht, die erste Separatorschicht, die zweite Elektrodenschicht und die zweite Separatorschicht sind beispielsweise in vertikaler Richtung übereinander gestapelt, insbesondere in der angegebenen Reihenfolge. Direkt benachbarte Schichten stehen beispielsweise in direktem Kontakt zueinander.
Beispielsweise weist die Folie eine Breite auf, die mindestens 40 mm und höchstens 300 mm, insbesondere 80 mm, ist. Die Breite der Folie ist beispielsweise durch eine Höhe einer herzustellenden zylindrischen Batteriezelle vorgegeben. Insbesondere kann die Breite der Folie durch eine Gehäusehöhe der herzustellenden Batteriezelle vorgegeben sein, die beispielhaft ca. 65 mm, ca. 70 mm, ca. 80 mm oder ca. 90 mm betragen kann, wobei die Breite der Folie entsprechend etwas kürzer auszubilden ist.
Insbesondere ist die erste Separatorschicht zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet und die zweite Separatorschicht auf der zweiten Elektrodenschicht angeordnet.
Bei der ersten Elektrodenschicht handelt es sich beispielsweise um eine Anodenschicht der Batteriezelle. Bei der zweiten Elektrodenschicht handelt es sich beispielsweise um eine Kathodenschicht der Batteriezelle.
Die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht ist beispielsweise mit einem elektrisch isolierenden bzw. elektrisch nicht leitenden Material gebildet oder ist daraus geformt. Die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht weist ein Material auf, das für Lithiumionen durchlässig, aber für Elektronen undurchlässig ist. Als erste Separatorschicht und/oder zweite Separatorschicht können Polymere eingesetzt werden, insbesondere ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, Polyacrylnitrilen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinyliden-Hexafluoropropylen, Polyetherimid, Polyimid, Aramid, Polyether, Polyetherketon, synthetische Spinnenseide oder Mischungen davon. Die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht kann optional zusätzlich mit keramischem Material und einem Binder beschichtet sein, beispielsweise basierend auf Al203.
Für die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht kann beispielsweise eine isolierende Dünnschicht mit hoher Ionen-Durchlässigkeit und mechanischer Festigkeit verwendet werden. Ein Porendurchmesser der ersten Separatorschicht und/oder der zweiten Separatorschicht beträgt beispielsweise mindestens 0,01 µm und höchstens 10 µm. Die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht weist eine Dicke von mindestens 5 µm und höchstens 300 µm auf. Für die erste Separatorschicht und/oder die zweite Separatorschicht kann beispielsweise ein Polymer auf Olefinbasis, wie chemikalienbeständiges und hydrophobes Polypropylen oder ähnliches, ein Blatt oder ein Vlies, das unter Verwendung von Glasfasern, Polyethylen oder Ähnlichem hergestellt wird, verwendet werden. Wenn ein Festelektrolyt, wie z. B. ein Polymer, als Elektrolyt verwendet wird, kann der Festelektrolyt auch als erste Separatorschicht und/oder zweite Separatorschicht fungieren. Beispielsweise kann eine Polyethylenfolie, eine Polypropylenfolie oder eine mehrschichtige Folie, die durch Kombination der Folien erhalten wird, oder eine Polymerfolie für einen Polymerelektrolyten oder einen Polymerelektrolyten vom Geltyp, wie Polyvinylidenfluorid, Polyethylenoxid, Polyacrylnitril oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer, verwendet werden.
Die erste Elektrodenschicht weist einen Kontaktbereich an einer längs gerichteten Außenkante auf. Alternativ oder zusätzlich weist die zweite Elektrodenschicht einen Kontaktbereich an einer dem der ersten Elektrodenschicht zugeordneten Kontaktbereich gegenüberliegenden, längs gerichteten Außenkante auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt wird die Folie zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt, so dass der Kontaktbereich der ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht sich spiralförmig um eine Längsachse des Elektrodenwickels erstreckt. Das Aufwickeln der Folie erfolgt insbesondere in Längsrichtung. Beispielsweise weist der Elektrodenwickel eine zylindrische Form auf. Ein derart hergestellter Elektrodenwickel kann auch als „Jelly-Roll“ bezeichnet werden. Je nach eingesetztem Dorn, um den die Folie gewickelt wird und Schichtdickenverlauf sind jedoch auch andere Formen des Elektrodenwickels denkbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt wird in einer Ausführungsvariante der Kontaktbereich der ersten Elektrodenschicht mittels parallel zu der Längsachse wirkender Kraftübertragung verformt. Der Kontaktbereich der ersten Elektrodenschicht weist dabei einen Sollverformungsbereich zwischen einem der entsprechenden Außenkante zugewandten äußeren Teil der ersten Elektrodenschicht und einem der entsprechenden Außenkante abgewandten inneren Teil der ersten Elektrodenschicht auf, der sich spiralförmig um die Längsachse des Elektrodenwickels erstreckt.
In anderen Ausführungsvarianten wird alternativ oder zusätzlich der Kontaktbereich der zweiten Elektrodenschicht mittels parallel zu der Längsachse wirkender Kraftübertragung verformt. Der Kontaktbereich der zweiten Elektrodenschicht weist dabei einen Sollverformungsbereich zwischen einem der entsprechenden Außenkante zugewandten äußeren Teil der zweiten Elektrodenschicht und einem der entsprechenden Außenkante abgewandten inneren Teil der zweiten Elektrodenschicht auf, der sich spiralförmig um die Längsachse des Elektrodenwickels erstreckt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt erfolgt die Verformung durch ein rotierendes Walzwerkzeug (engl. „Kneading“).
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt erfolgt die Verformung durch Aufpressen eines Stromableiterelements.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt wird eine Folie, umfassend eine erste Elektrodenschicht, eine erste Separatorschicht, eine zweite Elektrodenschicht und eine zweite Separatorschicht, bereitgestellt, wobei die erste Elektrodenschicht einen Kontaktbereich an einer längs gerichteten Außenkante aufweist und/oder die zweite Elektrodenschicht einen Kontaktbereich an einer gegenüberliegenden längs gerichteten Außenkante aufweist. Die Folie wird zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt, so dass der entsprechende Kontaktbereich sich spiralförmig um eine Längsachse des Elektrodenwickels erstreckt. Der entsprechende Kontaktbereich, aufweisend einen Sollverformungsbereich zwischen einem der entsprechenden Außenkante zugewandten äußeren Teil der jeweiligen Elektrodenschicht und einem der entsprechenden Außenkante abgewandten inneren Teil der jeweiligen Elektrodenschicht, der sich spiralförmig um die Längsachse des Elektrodenwickels erstreckt, wird mittels parallel zu der Längsachse wirkender Kraftübertragung verformt. In vorteilhafter Weise kann eine zielgerichtete Verformung des äußeren Teils erreicht werden, wodurch eine elektrische Kontaktierung des Elektrodenwickels bzw. einer Batteriezelle mit einem solchen Elektrodenwickel besonders einfach und zuverlässig realisierbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt wird der verformte Kontaktbereich der ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht stoffschlüssig mit einem Stromableiterelement verbunden. Insbesondere werden die entsprechenden Anschlusselektroden, also der jeweils verformte, äußere Teil der Kollektorfolie der Elektrodenschicht mit dem Stromableiterelement verbunden. Das Stromableiterelement kann auch als Gesamtstromableiter bezeichnet werden. Beispielsweise wird das Stromableiterelement mittels Laser-, Widerstands- oder Ultraschallschweißen stoffschlüssig mit dem verformten Kontaktbereich verbunden (engl. „Lead Disc Weld“).
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt wird der Sollverformungsbereich in der ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht mit einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt ausgebildet. Insbesondere wird der jeweilige Sollverformungsbereich vor dem Wickeln der Folie in der entsprechenden Folie ausgebildet, beispielhaft in der einzelnen Elektrodenschicht vor einem Stapeln der Schichten zu einer Schichtenfolge. Alternativ ist auch denkbar, den Sollverformungsbereich im gestapelten oder gewickelten Zustand der Folie auszubilden. In diesem Fall kann ein im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt genanntes Verfahren zum Ausbilden des Sollverformungsbereichs Anwendung finden.
Gemäß eines dritten Aspekts wird eine Batteriezelle angegeben. Die Batteriezelle umfasst ein Gehäuse und einen in das Gehäuse eingesetzten Elektrodenwickel. Der Elektrodenwickel ist hergestellt nach einem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Folie für eine Batteriezelle;
2 und 3 eine Anodenschicht mit Kontaktbereich; und mit Sollverformungsbereich;
4 Wickeln einer Folie für eine Batteriezelle zu einem Elektrodenwickel;
5 bis 7 Elektrodenwickel; Verformen eines Kontaktbereichs des Elektrodenwickels und Aufbringen eines Stromableiterelements; Bilden einer Batteriezelle durch Einbringen des Elektrodenwickels in ein Gehäuse;
8 Elektrodenwickel mit Sollverformungsbereich im Kontaktbereich;
9 bis 11 ein Ablaufdiagramm zur Herstellung einer Elektrodenschicht; eines Elektrodenwickels; und einer Batteriezelle.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Gemäß 1 wird eine Folie 100 der Länge L und Breite B für eine Batteriezelle bereitgestellt (Schritt S20 in 10), die eine erste Elektrodenschicht 10, eine erste Separatorschicht 20, eine zweite Elektrodenschicht 30 und eine zweite Separatorschicht 40 umfasst. Die Schichten sind in der angegebenen Reihenfolge übereinander angeordnet. Wie eingangs erläutert handelt es sich bei der ersten Elektrodenschicht 10 beispielhaft um eine Anodenschicht und bei der zweiten Elektrodenschicht 30 entsprechend um eine Kathodenschicht. Diese wurden beispielhaft in einem vorausgehenden Prozess (Schritte S10 bis S12 in 9) hergestellt, der anhand der ersten Elektrodenschicht 10 in 2 und 3 näher erläutert werden soll.
Zunächst wird ein Anodenstromkollektor 1 bereitgestellt (Schritt S10 in 9), auf welchen über eine erste Breite b1 Anodenaktivmaterial 2 aufgetragen wird (Schritt S11 in 9). Unbedeckte Teile des Anodenstromkollektors 1 können daraufhin ggf. bereichsweise abgetrennt werden. In jedem Fall verbleibt ein von Anodenaktivmaterial 2 unbedeckter Kontaktbereich 101, welcher sich entlang der Längsrichtung x (vgl. 1) über die Länge L der Elektrodenschicht 10 erstreckt, und ausgehend von dem von Anodenaktivmaterial 2 bedeckten Teil bis hin zu einer Außenkante 102 des Anodenstromkollektors 1 über eine Breite b3 erstreckt. Die Elektrodenschicht 10 mit Kontaktbereich 101 weist beispielsweise eine Breite b2 auf, die um die Breite b3 des Kontaktbereichs 101 breiter ist als der mit Anodenaktivmaterial 2 bedeckte Teil. Die Breite b3 des Kontaktbereichs kann beispielsweise von 3 mm bis 20 mm betragen. Für weitere Details zum Auftragen (Schritt S11 in 9) des Elektrodenaktivmaterials sei auf den allgemeinen Beschreibungsteil verwiesen; die Herstellung der zweiten Elektrodenschicht 30 kann unter Berücksichtigung der im allgemeinen Beschreibungsteil angemerkten Unterschiede analog zu vorigen Ausführungen erfolgen.
Wie anhand 3 angedeutet wird ein entlang der Längsrichtung x verlaufender Sollverformungsbereich 103 in dem Kontaktbereich 101 ausgebildet (Schritt S12 in 9), welcher sich über die Länge L der Elektrodenschicht 10 erstreckt. Der Sollverformungsbereich 103 trennt einen der Außenkante 102 zugewandten äußeren Teil 104 des Kontaktbereichs 101 bzw. des Anodenstromkollektors 1 von einem der Außenkante 102 abgewandten inneren Teil 105 des Anodenstromkollektors 1. Der Sollverformungsbereich 103 entspricht beispielsweise einer Knicklinie des Kontaktbereichs 101 unter Krafteinwirkung in y-Richtung (vgl. 1), d.h., zur Ausbildung des Sollverformungsbereichs muss der Bereich 103 selbst nicht zwingend eine Veränderung erfahren, und kann allein durch Veränderung der Materialeigenschaften und/oder der Geometrie des äußeren Teils 104 und/oder inneren Teils 105 gebildet werden.
Der Sollverformungsbereich 103 weist einen mittleren Abstand d zu dem von Anodenaktivmaterial 2 bedeckten Teil der Elektrodenschicht 10 bzw. einen mittleren Abstand (b3 - d) von der Außenkante 102 auf. Der mittlere Abstand d ist beispielsweise kleiner oder gleich (b3 / 3). Beispielhaft beträgt der mittlere Abstand d zwischen 0,5 mm und 5 mm.
Die Ausbildung eines Sollverformungsbereichs in der zweiten Elektrodenschicht 30 kann analog zu vorigen Ausführungen erfolgen. In der bereitgestellten Folie 100 (Schritt S20 in 10) sind der Kontaktbereich 101 und Sollverformungsbereich 103 der ersten Elektrodenschicht 10 auf einer dem Kontaktbereich und Sollverformungsbereich der zweiten Elektrodenschicht 30 (in y-Richtung) gegenüberliegenden Seite der Folie 10 angeordnet (vgl. 4).
In einem Schritt S21 (vgl. 10) wird die Folie 100 in Längsrichtung x um einen Dorn 50 zu einem zylindrischen Elektrodenwickel 200 (vgl. 5) gewickelt, um dessen Längsachse A sich spiralförmig die Außenkante 102, der Kontaktbereich 101 und der Sollverformungsbereich 103 der ersten Elektrodenschicht 10 erstrecken, und zwar derart, dass die spiralförmige Außenkante 102 im Wesentlichen in einer Ebene liegt und der Sollverformungsbereich 103 im Wesentlichen in einer Ebene liegt. Der Einfachheit halber ist der entsprechend überstehende Kontaktbereich der zweiten Elektrodenschicht 30 an der Unterseite des Elektrodenwickels 200 nicht näher dargestellt.
Anhand 6 ist dargestellt, wie auf die spiralförmige Außenkante 102 im Anschluss (Schritt S23 in 10) ein Stromableiterelement 201 zur elektrischen Kontaktierung der ersten Elektrodenschicht 10 aufgebracht und stoffschlüssig mit dem Kontaktbereich 101 verbunden wird.
Es ist denkbar, das Stromableiterelement 201 hierbei derart anzupressen, dass eine Verformung des Kontaktbereichs 101 eintritt, und zwar zielgerichtet entlang des Sollverformungsbereichs 103.
Bevorzugt geht dem Schritt S23 ein Schritt S22 des Verformens voraus, bei dem etwa mittels eines Walzwerkzeugs eine Kraftübertragung parallel zu der Längsachse A auf den Kontaktbereich 101 wirkt und der Kontaktbereich 101 auf ein bestimmtes Soll-Maß kompaktiert wird. Durch den Sollverformungsbereich 103 kann eine Verformung des Kontaktbereichs 101 erzielt werden, bei der der äußere Teil 104 eine wesentlich stärker ausgeprägte Abweichung von der Längsachse A als der unterhalb des Sollverformungsbereichs 103 angeordnete innere Teil 105, insbesondere bezogen auf den Kontaktbereich 101, erfährt. In anderen Worten wird der äußere Teil 104 entlang des Sollverformungsbereichs 103 umgeknickt oder gefaltet, so dass sich eine im Vergleich zu der bloßen spiralförmigen Außenkante 102 vergrößerte Auflagefläche zur elektrischen Kontaktierung der ersten Elektrodenschicht 10 mittels des Stromableiterelements 201 bildet.
Durch Ausbilden des Sollverformungsbereichs 103 wird ein zielgerichtetes Abknicken auf einer durch den mittleren Abstand d vorgegebenen Höhe bzgl. der Längsachse A ermöglicht. So kann bei dem Schritt des Verformens (S22, ggf. S23) ein Abknicken der Schichten 10, 20, 30, 40 des Elektrodenwickels an einer zufälligen Position eingeschränkt werden. Insbesondere kann so verhindert werden, dass die Elektrodenschichten 10, 30 nahe des mit Elektrodenaktivmaterial 2 beschichteten Teils abknicken, und so beigetragen werden, ein Kurzschlussrisiko zu verringern.
Zur Herstellung einer Batteriezelle 300 wird der Elektrodenwickel 200 mit verformtem Kontaktbereich 101' und Stromableiterelement 201 in einem Schritt S31 (11) schließlich in ein Gehäuse 301 eingebracht (vgl. 7).
Anhand der 8 ist der Elektrodenwickel 200 gemäß 5 im Schnitt dargestellt. In einem unteren Bereich der Figur durch die Schraffur angedeutet sind sowohl die erste als auch die zweite Elektrodenschicht 10, 30 (übereinander) angeordnet. Über diesen Bereich ragt die erste Elektrodenschicht 10 ohne überlagerte zweite Elektrodenschicht 30 hinaus, wobei ein von Elektrodenaktivmaterial 2 bedeckter Teil hervon ohne Schraffur dargestellt ist. Der sich anschließende, von Elektrodenaktivmaterial 2 unbedeckte Teil der ersten Elektrodenschicht 10 (Kontaktbereich 101) ist gepunktet dargestellt. In dem Kontaktbereich 101 ist ein Sollverformungsbereich 103 ausgebildet, welcher durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Hierzu ist direkt unterhalb des Sollverformungsbereichs 103 eine z.B. linien- oder punktförmige Riffelung 106 in den Kontaktbereich 101 eingebracht, wodurch sich die Stabilität des inneren Teils 105, insbesondere bezogen auf den Kontaktbereich 101, gegenüber dem äußeren Teil 104 bei Krafteinwirkung von der Außenkante 102 her erhöht, ähnlich wie beim Sicken eines Blechs. Beim Walzen (Schritt S22 in 10) der Folie 100 bis zur Riffelung 106 kann der Kontaktbereich 101 so zielgerichtet oberhalb der Riffelung 106 abknicken und das Risiko auf einen Kurzschluss in der Jelly Roll verringert werden. Insbesondere im Hinblick auf einen zur Reduktion des Camber-Effekts thermisch behandelten Kontaktbereich 101 mit hierdurch im mechanischen Verhalten weicherem und duktilerem Material kann ein Abknicken im Bereich nahe der Aktivmaterialbeschichtung (Anode und Kathode) verhindert und das Risiko auf einen Kurzschluss gesenkt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kollektorfolie
2: Elektrodenaktivmaterial
10, 30: Elektrodenschicht
20, 40: Separatorschicht
50: Dorn
100: Folie
101, 101': Kontaktbereich
102: Außenkante
103: Sollverformungsbereich
104: äußerer Teil
105: innerer Teil
106: Riffelung
200: Elektrodenwickel
201: Stromableiterelement
300: Batteriezelle
301: Gehäuse
302: Elektrolytgel
A: Längsachse
B, b1, b2, b3: Breite
d: Abstand
L: Länge
x, y, z: Bezugskoordinatensystem
S10-S31: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenschicht (10) für einen Elektrodenwickel (200) einer Batteriezelle (300), umfassend: - Bereitstellen (S10) einer Kollektorfolie (1) mit einem Kontaktbereich (101) an einer längs gerichteten Außenkante (102) der Kollektorfolie (1), und -Ausbilden (S12) eines längs gerichteten Sollverformungsbereichs (103) in dem Kontaktbereich (101) zwischen einem der Außenkante (102) zugewandten äußeren Teil (104) der Kollektorfolie (1) und einem der Außenkante (102) abgewandten inneren Teil (105) der Kollektorfolie (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sollverformungsbereich (103) durch gezielte Schwächung einer Steifigkeit der Kollektorfolie (1) in dem äußeren Teil (104) der Kollektorfolie (1) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sollverformungsbereich (103) durch gezielte Versteifung der Kollektorfolie (1) in dem inneren Teil (105) der Kollektorfolie (1) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sollverformungsbereich (103) ausgehend von einer der Außenkante (102) abgewandten Seite des Kontaktbereichs (101) innerhalb eines Drittels des Kontaktbereichs (101) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, der Sollverformungsbereich (103) von einer der Außenkante (102) abgewandten Seite des Kontaktbereichs (101) um 0,5 mm bis 5 mm beabstandet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Ausbilden des Sollverformungsbereichs (103) ein Verfahren zur Perforation oder zum Weichglühen des Kontaktbereichs (101) zur Anwendung kommt, oder der Sollverformungsbereich (103) dadurch ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Ausbilden des Sollverformungsbereichs (103) ein Verfahren zum Eindrücken oder zum Tiefziehen der Kollektorfolie (1) zur Anwendung kommt, oder der Sollverformungsbereich (103) dadurch ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Ausbilden des Sollverformungsbereichs (103) in dem inneren Teil (105) der Kollektorfolie (1) eine oder mehrere Sicken und/oder eine oder mehrere Rippen ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend - Auftragen (S11) von Elektrodenaktivmaterial (2) auf die Kollektorfolie (1).
Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenwickels (200) für eine Batteriezelle (300), umfassend: - Bereitstellen (S20) einer Folie (100), umfassend eine erste Elektrodenschicht (10), eine erste Separatorschicht (20), eine zweite Elektrodenschicht (30) und eine zweite Separatorschicht (40), wobei die erste Elektrodenschicht (10) einen Kontaktbereich (101) an einer längs gerichteten Außenkante (102) aufweist und/oder die zweite Elektrodenschicht (30) einen Kontaktbereich an einer gegenüberliegenden längs gerichteten Außenkante aufweist, - Aufwickeln (S21) der Folie (100) zu einem Elektrodenwickel (200), so dass der Kontaktbereich (101) sich spiralförmig um eine Längsachse (A) des Elektrodenwickels (200) erstreckt und; - Verformen (S22) des Kontaktbereichs (101) mittels parallel zu der Längsachse (A) wirkender Kraftübertragung, wobei der Kontaktbereich (101) einen Sollverformungsbereich (103) zwischen einem der entsprechenden Außenkante (102) zugewandten äußeren Teil (104) der Elektrodenschicht (10, 30) und einem der entsprechenden Außenkante (102) abgewandten inneren Teil (105) der Elektrodenschicht (10, 30) aufweist, der sich spiralförmig um die Längsachse (A) des Elektrodenwickels (200) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der verformte Kontaktbereich (101') stoffschlüssig mit einem Stromableiterelement (201) verbunden (S23) wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sollverformungsbereich (103) in der ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht (10, 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet wird.
Batteriezelle (300), umfassend ein Gehäuse (301) und einen in das Gehäuse (301) eingesetzten (S30) Elektrodenwickel (200), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 10 bis 12.