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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Energiezelle sowie eine solche Energiezelle.
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Energiezellen werden auch als Batteriezellen oder Akkumulatorzellen bezeichnet und finden Verwendung als mobile Energiequelle. Eine Energiezelle kann grundsätzlich einzeln verwendet werden. Typischerweise sind jedoch mehrere oftmals gleichartige Energiezellen zu einem Batteriemodul zusammengesetzt. Durch entsprechende Verschaltung der Energiezellen miteinander sind dann Spannung und Strom des Batteriemoduls einstellbar. Energiezellen und auch Batteriemodule dienen beispielsweise in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Versorgung eines elektrischen Antriebsstrangs des Fahrzeugs mit Energie. Ein Beispiel für eine Energiezelle ist eine Lithium-Ionen-Zelle.
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Eine einzelne Energiezelle ist zusammengesetzt aus wenigstens zwei unterschiedlichen Elektrodenlagen, nämlich einer Anodenlage und einer Kathodenlage, zwischen welchen ein Separator als eine Separatorlage angeordnet ist. Häufig werden mehrere Anodenlagen, Kathodenlagen und Separatorlagen abwechselnd übereinander angeordnet und zu einem Zellstapel zusammengefasst. Dem Zellstapel wird zusätzlich ein Elektrolyt beigefügt. Der Separator verhindert einen direkten Kontakt der Elektroden miteinander und ist üblicherweise porös und erlaubt dadurch eine Bewegung von Ladungen von der einen zur anderen Elektrode. Bei der Herstellung einer Energiezelle werden die Elektroden und die Separatoren geeignet zusammengefasst und mit einer gemeinsamen Umhüllung versehen, nämlich einer Zellhülle, welche den Zellstapel vor der Umgebung schützt und umgekehrt. Aus der Zellhülle sind lediglich zwei Ableiter zur Kontaktierung der Energiezelle herausgeführt, wobei einer der Ableiter einen Pluspol bildet und der andere Ableiter einen Minuspol.
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Problematisch bei der Herstellung von Energiezellen ist speziell die Fixierung des Zellstapels, bevor dieser mit der Zellhülle umgeben wird. Beim Umhüllen des Zellstapels besteht die Gefahr eines Verrutschens der einzelnen Lagen relativ zueinander, was später zu einem Fehlverhalten oder Versagen der Energiezelle im Betrieb führen kann. Um dies zu vermeiden ist es vorteilhaft, die Lagen des Zellstapels relativ zueinander zu fixieren, um ein Verrutschen beim Umhüllen zu verhindern. Grundsätzlich ist es möglich, hierzu einen oder mehrere Klebestreifen, auch als „Tapes“ bezeichnet, zu verwenden. Solche Klebestreifen sind beispielsweise C-förmig und umklammern den Zellstapel. Die Klebestreifen können jedoch zu einer inhomogenen Druckverteilung führen. Im Bereich der Klebestreifen wird dann vermehrt metallisches Lithium abgeschieden (sogenanntes „Lithiumplating“) und nachteilig die Zellalterung beschleunigt.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Energiezelle anzugeben sowie eine verbesserte Energiezelle. Insbesondere soll speziell die Fixierung des Zellstapels während der Herstellung verbessert werden und die Energiezelle, speziell deren elektrochemische Eigenschaften, soll durch das Fixieren möglichst wenig beeinflusst werden. Zugleich soll die Herstellung der Energiezelle möglichst einfach sein.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Energiezelle mit den Merkmalen gemäß Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren gelten sinngemäß auch für die Energiezelle und umgekehrt.
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Das Verfahren dient zur Herstellung einer Energiezelle und ist somit ein Herstellungsverfahren. Die Energiezelle weist einen Zellstapel auf, welcher mehrere Elektrodenlagen, insbesondere wenigstens je eine Kathodenlage und eine Anodenlage, aufweist und zumindest einen Separator. Je nach Ausgestaltung ist ein einzelner Separator gefaltet ausgebildet und bildet dadurch mehrere Separatorlagen, beispielsweise bei der sogenannten Z-Faltung, oder der Separator ist als einzelne Separatorlage ausgebildet und für mehrere Separatorlagen werden dann entsprechend viele Separatoren verwendet, dies wird auch als Einzelblattanordnung bezeichnet. Zusammenfassend weist der Separator demnach eine oder mehrere Separatorlagen auf. Analog sind auch Ausgestaltungen möglich, bei welchen mehrere Elektrodenlagen miteinander verbunden sind, z.B. bei einem gerollten Zellstapel oder einer sogenannten „Jelly Roll“, mit beispielsweise lediglich einer Anodenlage und einer Kathodenlage, welche mit einem Separator zusammen zu einer Rolle gerollt sind. Die Elektrodenlagen und die Separatorlagen werden jeweils auch allgemein als „Lagen“ bezeichnet.
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Typischerweise sind die Elektrodenlagen und die Separatorlagen abwechselnd angeordnet, insbesondere aufeinandergelegt, d.h. in einer Stapelrichtung betrachtet folgt auf eine Separatorlage eine Elektrodenlage und umgekehrt. Die Elektrodenlagen sind insbesondere abwechselnd als Kathodenlage und als Anodenlage ausgebildet. Die Elektrodenlagen weisen gegenüber den Separatorlagen typischerweise verringerte Abmessungen auf, d.h. der Separator weist einen Überstand auf, um einen Kurzschluss zu verhindern. Bei einem gerollten Zellstapel ist dies aufgrund der gerollten Ausgestaltung insbesondere nur auf zwei Seiten der Fall. Die Anodenlagen und die Kathodenlagen sind jeweils gemeinsam zweckmäßigerweise an einen jeweiligen Ableiter angeschlossen, welcher aus dem Zellgehäuse herausführt und zum elektrischen Anschließen der Energiezelle dient. Die Ableiter sind beispielsweise, jedoch nicht zwingend, auf gegenüberliegenden Seiten des Zellstapels angeordnet.
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Vorliegend wird der Zellstapel mit einer Wickelfolie umwickelt und dadurch werden die Elektrodenlagen und der Separator fixiert, d.h. der Zellstapel wird mittels der Wickelfolie fixiert. Die Wickelfolie wird dabei insbesondere anstelle von Klebestreifen oder ähnlichem angebracht, diese werden nicht benötigt, die Fixierung des Zellstapels erfolgt durch ein Umwickeln mit der Wickelfolie. Auf Klebestreifen, d.h. sogenannten „Tapes“ wird geeigneterweise entsprechend verzichtet. Das Verfahren enthält somit einen Verfahrensschritt „Umwickeln des Zellstapels mit einer Wickelfolie“. Der Zellstapel, welcher mit der Wickelfolie umwickelt ist, wird auch als „umwickelter Zellstapel“ bezeichnet. Die hier beschriebene Umwicklung mit einer Wickelfolie ist grundsätzlich unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Zellstapels und somit für jegliche Zelltypen, Bauformen und Konzepte geeignet, auch für noch unbekannte, zukünftige Zelltypen, Bauformen und Konzepte.
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Die Wickelfolie ist vorzugsweise ein Bandmaterial, welches bei der Herstellung insbesondere als Endlosware bereitgestellt wird und vor oder nach dem Umwickeln eines jeweiligen Zellstapels abgelängt wird. Dadurch ist das Umwickeln unmittelbar in das Herstellungsverfahren integriert und verursacht höchstens minimale Verzögerungen. Vorzugsweise ist das Umwickeln in eine Stapelmaschine integriert, welche bei der Herstellung die Lagen zum Zellstapel zusammensetzt. Eine Vorkonfektionierung der Wickelfolie, insbesondere parallel oder separat zum Zusammensetzen des Zellstapels ist nicht notwendig und erfolgt geeigneterweise auch nicht, sondern die Wickelfolie wird vorzugsweise „on-the-fly“ konfektioniert. Andere Ausgestaltungen zur Integration des Umwickelns in das Herstellungsverfahren sind aber ebenso denkbar und grundsätzlich geeignet.
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Durch das Umwickeln mit der Wickelfolie und insbesondere durch den dadurch möglichen Verzicht auf Klebestreifen, wird eine inhomogene Druckbelastung im oder am Zellstapel vermieden. Dadurch werden auch die damit zusammenhängenden Probleme des Lithiumplatings und einer verstärkten Alterung behoben oder zumindest gemindert.
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Der Zellstapel, welcher mit der Wickelfolie umwickelt ist, wird zusätzlich noch eingehaust und hierzu mit einem Zellgehäuse umgeben. Dieser Verfahrensschritt wird auch als „Einhausen des Zellstapels“ oder „Umhausen des Zellstapels“ bezeichnet. Das Zellgehäuse stellt insbesondere eine Abgrenzung der Energiezelle zur Umwelt dar und ist somit eine äußerste Hülle der Energiezelle. Wesentlich ist insbesondere, dass das Umwickeln mit der Wickelfolie vor dem Einhausen erfolgt, denn die Wickelfolie dient gerade dazu, den Zellstapel zu Fixieren und ein Verrutschen der Lagen beim Einhausen zu vermeiden. Nach dem Einhausen verbleibt die Wickelfolie insbesondere am Zellstapel und wird demnach nicht wieder entfernt. Insgesamt ist die Wickelfolie insbesondere gerade keine äußerste Hülle der Energiezelle.
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Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass lediglich ein einzelner Zellstapel mit dem Zellgehäuse umgeben wird, sodass die Energiezelle dann lediglich einen Zellstapel enthält. Die Ausführungen gelten analog aber auch für andere geeignete Ausgestaltungen, bei welchen mehrere Zellstapel zusammen in eine einzelnes Zellgehäuse eingesetzt werden. In diesem Fall wird entweder jeder Zellstapel einzeln mit einer eigenen Wickelfolie umwickelt oder mehrere oder alle Zellstapel werden gemeinsam mit einer gemeinsamen Wickelfolie umwickelt. Vorteilhaft ist eine Anwendung der hier beschriebenen Erfindung bei verschiedensten Konzepten zur Anordnung und Zusammenfassung von Zellstapeln wie „Cell-2-Module“, „Cell-2-Pack“, „Cell-2-Car“ und auch „Zellstapel-2-Car“. Bei „Cell-2-Module“ sind mehrere Energiezellen zu einem Modul zusammengesetzt und mehrere solcher Module sind dann in einem Batteriegehäuse zu einer Batterie zusammengefasst. Bei „Cell-2-Pack“ wird die Ebene mit Modul ausgelassen und mehrere Energiezellen sind direkt in einem Batteriegehäuse zu einer Batterie zusammengesetzt. Bei „Cell-2-Car“ wird auch die Ebene des Batteriegehäuses ausgelassen, sodass die Energiezellen direkt in ein Fahrzeug eingesetzt sind. Noch weiter geht „Zellstapel-2-Car“, bei welchem auch das klassische Zellgehäuse weggelassen wird und stattdessen das Zellgehäuse ein Bestandteil eines Fahrzeugs ist, z.B. ein Teil von dessen Karosserie, in welches die Zellstapel direkt und ohne zusätzliche Umhausung eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang wird auch deutlich, dass vorliegend mit dem Begriff „Zellgehäuse“ nicht ausschließlich ein klassisches Zellgehäuse zur Einhausung eines einzelnen Zellstapels gemeint ist, sondern dass der Begriff „Zellgehäuse“ zunächst allgemein eine Umhausung für einen oder mehrere Zellstapel bildet und insbesondere zur Halterung eines oder mehrerer Zellstapel dient, welche in das Zellgehäuse eingesetzt werden.
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Weiter wird der Zellstapel mit einem Elektrolyt befüllt, für welches die Wickelfolie durchlässig ist, sodass das Elektrolyt beim Befüllen durch die Wickelfolie hindurch in den Zellstapel eindringen kann und geeigneterweise auch eindringt. Grundsätzlich ist es möglich und zweckmäßig, das Elektrolyt zu einem von mehreren unterschiedlichen Zeitpunkten während der Herstellung in den Zellstapel einzubringen, nämlich vor dem Umwickeln mit der Wickelfolie oder danach sowie vor oder nach dem Einhausen, wobei in letzterem Fall die Zellhülle eine Öffnung zum Einfüllen des Elektrolyts aufweist und danach dann vollständig verschlossen wird. Vorzugsweise wird vorliegend der Zellstapel mit dem Elektrolyt befüllt, nachdem der Zellstapel mit der Wickelfolie umwickelt wurde und in das Zellgehäuse eingesetzt wurde. Das Zellgehäuse dient dann sozusagen als Auffangbehälter für das Elektrolyt. In dieser Situation ist es besonders vorteilhaft, dass die Wickelfolie für das Elektrolyt durchlässig ist, denn die Wickelfolie verdeckt möglicherweise den Zellstapel in Richtung einer Öffnung des Zellgehäuses. Beim Einfüllen des Elektrolyts durch diese Öffnung (d.h. Einfüllöffnung), wird dann ein gleichmäßiges Eindringen des Elektrolyts in den Zellstapel vereinfacht, das Elektrolyt muss nicht um die Wickelfolie herumfließen, sondern durchdringt diese. Aufgrund der Durchlässigkeit der Wickelfolie für das Elektrolyt erleichtert diese das Benetzen des Zellstapels mit dem Elektrolyt (sogenanntes „Wetting“), d.h. das Elektrolyt dringt beim Befüllen besonders gut in den Zellstapel ein und durchdringt diesen besonders gleichmäßig.
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Das beschriebene Konzept ist zunächst grundsätzlich auf jegliche Zellgeometrie anwendbar, d.h. einerseits auf plane Zellstapel, wie z.B. in einer Pouch-Zelle oder prismatischen Zelle, und andererseits auch auf gerollte Zellstapel, wie z.B. in einer Rundzelle oder einer Jelly-Roll-Zelle. Bei einem gerollten Zellstapel stellen sich die Probleme des Verrutschens der Lagen und der Druckbelastung durch Klebestreifen jedoch anders dar als bei einem planen Zellstapel, insbesondere aufgrund der unterschiedlichen Geometrien der jeweiligen Zellgehäuse. Das Umwickeln mit einer Wickelfolie ist hingegen sowohl für plane Zellstapel vorteilhaft als auch für gerollte Zellstapel. Gerollte Zellstapel sind auch solche Zellstapel, welche nicht zu einer kreisrunden Rolle gewickelt sind, sondern oval oder zu einem Quader mit dann abgerundeten Ecken, wie beispielsweise bei einer Jelly-Roll-Zelle, z.B. einer prismatischen Zelle mit einer „Jelly Roll“ als Zellstapel.
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In einer besonders geeigneten Ausgestaltung sind die Lagen des Zellstapels vorzugsweise in einer Stapelrichtung aufeinandergelegt und zweckmäßigerweise gerade nicht gerollt, d.h. es wird vorliegend gerade keine Rolle gebildet, sondern ein planer Zellstapel. Im planen Zellstapel erstreckt sich jede Lage als eine plane, gerade Ebene. Sämtliche Lagen sind insbesondere parallel zueinander ausgerichtet. Der Zellstapel ist zur Seite hin, also senkrecht zur Stapelrichtung betrachtet, insbesondere offen, sodass die Elektrodenschichten zwischen den Separatorschichten grundsätzlich zugänglich sind, zumindest während der Herstellung und solange das Zellgehäuse noch nicht verschlossen ist. In einem Querschnitt entlang der Stapelrichtung ist dann auch eine entsprechende Schichtstruktur erkennbar.
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In einer anderen geeigneten Ausgestaltung sind die Lagen des Zellstapels dagegen gerollt und dadurch in Stapelrichtung aufeinandergelegt, sodass ein gerollter Zellstapel gebildet ist. Der Zellstapel weist dann eine Längsachse auf, um welche herum die Lagen gerollt sind, die Stapelrichtung entspricht dann einer radialen Richtung, welche senkrecht zur Längsachse steht. Der gerollte Zellstapel ist beispielsweise kreisrund im Querschnitt senkrecht zur Längsachse, dies ist jedoch nicht zwingend, geeignet ist z.B. auch ein ovaler Querschnitt oder ein rechteckiger Querschnitt mit abgerundeten Ecken.
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In einer geeigneten Ausgestaltung weist der Zellstapel eine Oberseite, eine Unterseite und zwei Seitenflächen auf, welche jeweils vollständig von der Wickelfolie überdeckt werden, sodass der Zellstapel in einer Umlaufrichtung um den Zellstapel herum vollständig von der Wickelfolie ummantelt ist. Der Zellstapel ist somit insgesamt quaderförmig, mit sechs Seiten, von welchen vier durch die Wickelfolie vollständig überdeckt, d.h. verdeckt werden. Die verbleibenden zwei Seiten bleiben beispielsweise offen. Die Oberseite und die Unterseite des Zellstapels erstrecken sich jeweils senkrecht zur Stapelrichtung, verlaufen also generell parallel zu den Lagen. Von den verbleibenden vier Seiten bilden dann zwei Seiten die beiden Seitenflächen, welche sich gegenüberliegen und welche von der Wickelfolie überdeckt sind, und die übrigen zwei Seiten bilden zwei gegenüberliegende Stirnseiten. An den Stirnseiten ist vorzugsweise je ein Ableiter angeordnet, sodass die Ableiter das Umwickeln mit der Wickelfolie gerade nicht behindern. Die Stirnseiten bilden jeweils ein Ende des Zellstapels in einer Längsrichtung. Die Umlaufrichtung führt dann um die Längsrichtung herum.
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Vorzugsweise wird der Zellstapel mit der Wickelfolie umwickelt, indem die Wickelfolie derart um den Zellstapel herumgeschlagen wird, dass auf einer Seite des Zellstapels eine Innenseite der Wickelfolie auf einer Außenseite der Wickelfolie aufliegt und dadurch ein Überlapp der Wickelfolie mit sich selbst gebildet ist. Die Wickelfolie wird geeigneterweise lediglich einmal um den Zellstapel herumgeschlagen, um möglichst wenig Material zu benötigen. Der Überlapp ist auf einer der Seiten des Zellstapel angeordnet, vorzugsweise auf der Oberseite oder der Unterseite, sodass der Überlapp gerade nicht seitlich auf dem Zellstapel aufliegt, sondern flächig. Bevorzugterweise erstreckt sich der Überlapp in Längsrichtung über eine Gesamtlänge des Zellstapels. Dadurch wird vermieden, dass durch die Wickelfolie wiederum eine nur punktuelle Druckbelastung erzeugt wird. Der Überlapp ist dann wenigstens so lang wie der Zellstapel.
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Das Umwickeln ist als solches auch besonders einfach in bestehende Herstellungsverfahren für Energiezellen integrierbar, da beim Umwickeln der zusammengesetzte Zellstapel einfach umwickelt wird und nicht in einen vorkonfektionierten Sack oder Beutel eingesetzt werden muss. Die Wickelfolie ist somit in der Zuführung und Anbringung deutlich einfacher handhabbar, speziell bei einer Massenfertigung.
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Der Überlapp dient vorrangig insbesondere zur Fixierung der Wickelfolie an sich selbst. Geeigneterweise ist hierzu der Überlapp wenigstens 5 mm breit, weist also eine Breite von wenigstens 5 mm auf. Um möglichst wenig Material zu verbrauchen, ist der Überlapp geeigneterweise höchstens 15 mm breit. Andere Breiten, z.B. weniger als 5 mm oder mehr als 15 mm sind aber ebenso grundsätzlich geeignet. Die Breite des Überlapps ist insbesondere in Richtung einer Breite und senkrecht zur Längsrichtung des Zellstapels gemessen.
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Besonders bevorzugt ist die Energiezelle eine Pouch-Zelle oder eine prismatische Zelle. Diese Zelltypen, vor allem eine Pouch-Zelle, sind hinsichtlich eines Verrutschen der Lagen des Zellstapels beim Umhüllen mit dem Zellgehäuse besonders gefährdet und profitieren daher besonders von einer Fixierung. Durch die Wickelfolie werden dann nachteilige Druckstellen vermieden, welche ansonsten durch Klebestreifen zur Fixierung entstünden.
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Speziell bei einer Pouch-Zelle wird der Zellstapel geeigneterweise beim Umhüllen mit einer Zellhülle umgeben, welche als eine Tüte ausgebildet ist und zunächst an drei von vier Seiten verschlossen ist. Entsprechend weist die Zellhülle eine offene, vierte Seite auf, über welche dann das Elektrolyt eingefüllt wird. Der Zellstapel ist innerhalb der Zellhülle insbesondere derart orientiert, dass eine der Seitenflächen zur offenen Seite der Zellhülle hinweist, weshalb diese Seitenfläche des Zellstapels auch als Einfüllseite bezeichnet wird. Die Stirnseiten und damit insbesondere auch die beiden Ableiter weisen dagegen zu zwei der verschlossenen Seiten der Zellhülle hin, wobei die Ableiter durch die Zellhülle hindurch nach außen geführt sind. Die Oberseite und die Unterseite des Zellstapels liegen insbesondere flächig an der Zellhülle an. Auf der offenen Seite weist die Zellhülle geeigneterweise eine Überlänge auf, welche nach dem Befüllen mit dem Elektrolyt in einem Entgasungsschritt als Gastasche dient. Nach dem Entgasungsschritt wird die Gastasche insbesondere abgetrennt und die Zellhülle auch auf der vierten Seite verschlossen. Die Wickelfolie verdeckt dann die Seitenfläche zur offenen Seite der Zellhülle hin, außerdem die gegenüberliegende Seitenfläche sowie die Oberseite und die Unterseite.
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Die Wickelfolie ist in einer geeigneten Ausgestaltung auf zumindest einer Seite (d.h. Innenseite, Außenseite oder beide) klebend oder selbsthaftend ausgebildet, zur Befestigung an sich selbst und somit zur Fixierung an sich selbst. Dabei ist die Wickelfolie zumindest entlang des Überlapps klebend oder selbsthaftend ausgebildet, in einer geeigneten Ausgestaltung sogar vollständig klebend oder selbsthaftend, d.h. über eine Gesamtfläche der Wickelfolie. Beispielsweise ist die Wickelfolie dadurch klebend ausgebildet, dass auf zumindest einer Seite ein Klebstoff aufgetragen ist. Beispielsweise ist die Wickelfolie dadurch selbsthaftend ausgebildet, dass diese zumindest einer Seite aus einem Material hergestellt ist oder mit einem Material beschichtet ist, welches an dem Material der gegenüberliegenden Seite haftet, z.B. mittels Haftreibung oder Adhäsionskraft.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Wickelfolie zwei Randbereiche auf, welche über zwei Stirnseiten des Zellstapels überstehen und umgeknickt werden, sodass die Randbereiche an den Stirnseiten anliegen, zur Fixierung des Zellstapels in einer Längsrichtung senkrecht zu den Stirnseiten. Auf diese Weise ist der Zellstapel in allen drei Raumrichtungen fixiert. Die Herstellung weist demnach dann einen weiteren Schritt „Umknicken der Wickelfolie“ auf, dieser Schritt erfolgt insbesondere erst nach dem Umwickeln. Die Randbereiche der Wickelfolie sind insbesondere zwei Randstreifen, welche sich entlang der Wickelfolie erstrecken und deren Seitenränder bilden. Zwischen den Randbereichen liegt dann ein Mittenbereich der Wickelfolie. Bei dem oben beschriebenen quaderförmigen Zellstapel überdeckt der Mittenbereich dann die Oberseite, die Unterseite und die beiden Seitenflächen, die Randbereiche überdecken dagegen die Stirnseiten, zumindest teilweise. Entsprechend sind die Randbereiche typischerweise deutlich schmaler als der Mittenbereich. Der oben beschriebene Überlapp ist in einer geeigneten Ausgestaltung auch in den Randbereichen ausgebildet und somit ebenfalls auf die Stirnseiten geführt. Der Zellstapel weist an den Übergängen von Oberseite und Unterseite zu einer jeweiligen Seitenfläche jeweils eine Ecke auf, welche beim Umknicken der Randbereiche insbesondere dazu führt, dass hier die Wickelfolie mehrlagig angeordnet ist oder zusammengestaucht ist. Dies ist herstellungstechnisch nicht weiter problematisch, da die Wickelfolie vorzugsweise eine Dicke von höchstens 20 µm aufweist und somit sehr dünn und gut faltbar ist. Die Dicke der Wickelfolie ist jedoch nicht grundsätzlich beschränkt und auch andere als der angegebenen Wert sind grundsätzlich geeignet. In einer geeigneten Ausgestaltung werden die Randbereiche der Wickelfolie zum Umknicken im Bereich der Ecken zusätzlich eingeschnitten, dies aber nicht zwingend.
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In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Wickelfolie aus dem gleichen Material wie der Separator gefertigt, d.h. aus einem Separatormaterial. Darunter wird insbesondere verstanden, dass als Wickelfolie ein Separator verwendet wird. Das Material des Separators eignet sich ganz besonders als Wickelfolie, da dieses Material zum einen elektrisch isolierend ist und zum anderen durchlässig für das Elektrolyt. Auch ist ein Separator besonders dünn und weist eine Dicke von höchstens 20 µm auf, wenigstens insbesondere 10 µm, und ist dadurch während der Herstellung einfach zu handhaben, speziell zu knicken, falten oder sonstwie zu verformen, um den Zellstapel zu Umwickeln und gegebenenfalls auch einen Randbereich der Wickelfolie umzuknicken. Außerdem wird dadurch die Komplexität des Zellstapels hinsichtlich dessen Materialzusammensetzung nicht erhöht. Dies ist auch vor dem Hintergrund eines möglichen Recyclings vorteilhaft. Die Dicke des Separators ist nicht grundsätzlich beschränkt und auch andere als die angegebenen Werte sind grundsätzlich geeignet, z.B. eine Dicke von weniger als 10 µm oder mehr als 20 µm.
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In einer geeigneten Ausgestaltung ist die Wickelfolie eine mikroporöse Membran. In einer geeigneten Ausgestaltung ist die Wickelfolie aus einem Polyolefin, PE oder PP hergestellt. In einer geeigneten Ausgestaltung besteht die Wickelfolie aus einer Keramik oder weist eine einseitige oder beidseitige Keramikbeschichtung auf. Die Keramik oder Keramikbeschichtung dient insbesondere zur Stabilisierung und Oxidationsbeständigkeit. Die Wickelfolie ist auch vorzugsweise möglichst kostengünstig.
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Bevorzugterweise ist die Wickelfolie gegenüber dem Zellstapel ein eigenständiges, separates Bauteil. Die Wickelfolie ist dann nicht mit dem Separator verbunden, sondern von diesem unabhängig und liegt höchstens an diesem an. Die Herstellung der Energiezelle wird dadurch dahingehend vereinfacht, dass die Wickelfolie unabhängig von dem Separator am Zellstapel anbringbar ist und entsprechend auch unabhängig vom Separator angebracht wird. Somit wird zunächst der Zellstapel aus Elektrodenlagen und Separator zusammengesetzt und anschließend mit der separaten Wickelfolie umwickelt.
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Alternativ ist aber auch eine Ausgestaltung vorteilhaft, bei welcher der Separator und die Wickelfolie im Gegensatz zur vorgenannten Ausgestaltung einstückig ausgebildet sind, indem der Separator insbesondere endseitig eine Überlänge aufweist, welche dann die Wickelfolie bildet. Mit anderen Worten: der Separator des Zellstapels wird als Wickelfolie fortgeführt. Dies hat den Vorteil, dass bei der Herstellung lediglich eine Bahn erforderlich ist, welche zugleich den Separator und auch die Wickelfolie bildet. Der Separator wird zuerst zwischen den Elektrodenlagen angeordnet, um den Zellstapel zu bilden, anschließend wird ein Endabschnitt, d.h. eine Überlänge, des Separators abschließend um den Zellstapel herumgewickelt und bildet auf diese Weise die Wickelfolie.
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Die genannte einstückige Ausgestaltung von Separator und Wickelfolie wird bevorzugt bei einem Z-gefalteten Separator verwendet. Hierbei ist der Separator in Z-Faltung zwischen den Elektrodenlagen hindurchgeführt. Aber auch abseits eines Z-gefalteten Separators ist eine einstückige Ausgestaltung von Separator und Wickelfolie grundsätzlich vorteilhaft.
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Unabhängig davon, ob die Wickelfolie separat zum oder einstückig mit einem Separator ausgebildet ist, wird die eingangs genannten Aufgabe insbesondere auch gelöst durch die Verwendung eines Separators (genauer gesagt eines Separatormaterials, z.B. in Form einer Separatorfolie) als eine Wickelfolie in einem Verfahren wie vorstehend beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Energiezelle weist einen Zellstapel, eine Wickelfolie und ein Zellgehäuse auf, wobei der Zellstapel mehrere Elektrodenlagen aufweist und zumindest einen Separator, wobei die Elektrodenlagen und der Separator in einer Stapelrichtung übereinander gestapelt sind, wobei der Zellstapel mit einer Wickelfolie umwickelt ist und dadurch die Elektrodenlagen und der Separator fixiert sind, wobei der Zellstapel, welcher mit der Wickelfolie umwickelt ist, eingehaust ist und hierzu mit einem Zellgehäuse umgeben ist, wobei die Wickelfolie durchlässig ist für ein Elektrolyt, mit welchem der Zellstapel befüllt ist. Vorzugsweise ist die Energiezelle gemäß einem Verfahren wie oben beschrieben hergestellt.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
- 1 ein Verfahren zur Herstellung einer Energiezelle,
- 2 eine Energiezelle im Querschnitt,
- 3 eine Variante der Energiezelle aus 2 im Querschnitt,
- 4 die Energiezelle aus 2 in einer perspektivischen Ansicht,
- 5 eine Variante der Energiezelle aus 2 in einer perspektivischen Ansicht,
- 6 die Energiezelle aus 2 bei Befüllen mit Elektrolyt.
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In 1 ist ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Herstellung einer Energiezelle 2 gezeigt. Zwei Ausführungsbeispiele für eine solche Energiezelle 2 sind in 2 und 3 jeweils in einer Querschnittansicht gezeigt. Die Energiezelle 2 weist einen Zellstapel 4 auf, welcher mehrere Elektrodenlagen 6 aufweist und zumindest einen Separator 8. Je nach Ausgestaltung ist ein einzelner Separator 8 gefaltet ausgebildet und bildet dadurch mehrere Separatorlagen, wie beispielsweise bei der sogenannten Z-Faltung, welche in 3 gezeigt ist. Alternativ ist der Separator 8 als einzelne Separatorlage ausgebildet und für mehrere Separatorlagen werden dann entsprechend viele Separatoren 8 verwendet, wie z.B. in 2 gezeigt, dies wird auch als Einzelblattanordnung bezeichnet. Zusammenfassend weist der Separator 8 demnach eine oder mehrere Separatorlagen auf. Die Elektrodenlagen 6 und die Separatorlagen werden jeweils auch allgemein als „Lagen“ bezeichnet.
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Typischerweise sind die Elektrodenlagen 6 und die Separatorlagen abwechselnd aufeinandergelegt, d.h. in einer Stapelrichtung S betrachtet folgt auf eine Separatorlage eine Elektrodenlage 6 und umgekehrt. Die Elektrodenlagen 6 sind abwechselnd als Kathodenlage und als Anodenlage ausgebildet und weisen gegenüber den Separatorlagen verringerte Abmessungen auf, d.h. der Separator 8 weist einen Überstand auf, um einen Kurzschluss zu verhindern. Die Anodenlagen und die Kathodenlagen sind jeweils gemeinsam zweckmäßigerweise an einen jeweiligen Ableiter 10 angeschlossen, welcher aus dem Zellgehäuse 12 herausführt und zum elektrischen Anschließen der Energiezelle 2 dient. Vorliegend sind die Ableiter 10 sind beispielhaft auf gegenüberliegenden Seiten des Zellstapels 4 angeordnet. Im Verfahren der 1 werden die Elektrodenlagen 6 und der Separator 8 im ersten Schritt S1 zum Zellstapel zusammengesetzt.
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Im zweiten Schritt S2 des Verfahrens wird der Zellstapel 4 mit einer Wickelfolie 14 umwickelt und dadurch werden die Elektrodenlagen 6 und der Separator 8 fixiert, d.h. der Zellstapel 4 wird mittels der Wickelfolie 14 fixiert. Die Wickelfolie 14 wird insbesondere anstelle von Klebestreifen oder ähnlichem angebracht. Der Zellstapel 4, welcher mit der Wickelfolie 14 umwickelt ist, wird auch als „umwickelter Zellstapel“ 4 bezeichnet. Die Wickelfolie 14 ist ein Bandmaterial, welches bei der Herstellung beispielsweise als Endlosware bereitgestellt wird und vor oder nach dem Umwickeln eines jeweiligen Zellstapels 4 abgelängt wird.
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Der Zellstapel 4, welcher mit der Wickelfolie 14 umwickelt ist, wird zusätzlich noch im dritten Schritt S3 eingehaust und hierzu mit einem Zellgehäuse 12 umgeben. Das Zellgehäuse 12 stellt eine Abgrenzung der Energiezelle 2 zur Umwelt dar und ist somit eine äußerste Hülle der Energiezelle Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird lediglich ein einzelner Zellstapel 4 mit dem Zellgehäuse 12 umgeben, sodass die Energiezelle 4 dann lediglich einen Zellstapel 4 enthält. Die Ausführungen gelten analog aber auch für andere, nicht explizit gezeigte Ausgestaltungen, bei welchen mehrere Zellstapel 4 zusammen in eine einzelnes Zellgehäuse 12 eingesetzt werden. In diesem Fall wird entweder jeder Zellstapel 4 einzeln mit einer eigenen Wickelfolie 14 umwickelt oder mehrere oder alle Zellstapel 4 werden gemeinsam mit einer gemeinsamen Wickelfolie 14 umwickelt. Dies ist möglich bei verschiedensten Konzepten zur Anordnung und Zusammenfassung von Zellstapeln 4 wie „Cell-2-Module“, „Cell-2-Pack“, „Cell-2-Car“ und auch „Zellstapel-2-Car“.
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Weiter wird der Zellstapel 4 im vierten Schritt S4 mit einem Elektrolyt 16 befüllt, für welches die Wickelfolie 14 durchlässig ist, sodass das Elektrolyt 16 beim Befüllen durch die Wickelfolie 14 hindurch in den Zellstapel 4 eindringt. Dabei wird der Zellstapel 4 mit dem Elektrolyt 16 befüllt, nachdem der Zellstapel 4 mit der Wickelfolie 14 umwickelt wurde und in das Zellgehäuse 12 eingesetzt wurde. Dies ist beispielhaft in 4 für eine Pouch-Zelle gezeigt.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Lagen des Zellstapels 4 in einer Stapelrichtung S aufeinandergelegt und gerade nicht gerollt, d.h. es wird vorliegend gerade keine Rolle gebildet, sondern ein planer Zellstapel 4. Im planen Zellstapel 4 erstreckt sich jede Lage als eine plane, gerade Ebene. Sämtliche Lagen sind vorliegend parallel zueinander ausgerichtet. Der Zellstapel 4 ist zur Seite hin, also senkrecht zur Stapelrichtung S betrachtet, offen, sodass die Elektrodenschichten 6 zwischen den Separatorschichten grundsätzlich zugänglich sind, zumindest während der Herstellung und solange das Zellgehäuse 12 noch nicht verschlossen ist. In einem Querschnitt entlang der Stapelrichtung S ist dann auch eine entsprechende Schichtstruktur erkennbar, wie z.B. in den 2 und 3 gezeigt. Die hier beschriebenen Konzepte und speziell der Kerngedanke der Umwicklung mit der Wickelfolie 14 sind aber grundsätzlich unabhängig vom Typ des Zellstapels 4 und auch auf gerollte Zellstapel 4 analog anwendbar.
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In 4 ist der umwickelte Zellstapel 4 aus 2 ausschnittsweise in einer perspektivischen Ansicht gezeigt, die Ausführungen gelten analog für andere Ausgestaltungen des Zellstapels 4. Das Umwickeln und Auflegen der Wickelfolie 14 auf sich selbst ist in 4 durch einen Pfeil angedeutet. Der Zellstapel 4 weist eine Oberseite 18, eine Unterseite 20 und zwei Seitenflächen 22 auf, welche jeweils vollständig von der Wickelfolie 14 überdeckt werden, sodass der Zellstapel 4 in einer Umlaufrichtung U um den Zellstapel 4 herum vollständig von der Wickelfolie 14 ummantelt ist. Der Zellstapel 4 ist somit insgesamt quaderförmig, mit sechs Seiten, von welchen vier durch die Wickelfolie 14 vollständig überdeckt, d.h. verdeckt werden. Die Oberseite 18 und die Unterseite 20 erstrecken sich jeweils senkrecht zur Stapelrichtung S, verlaufen also generell parallel zu den Lagen. Von den verbleibenden vier Seiten bilden dann zwei Seiten die beiden Seitenflächen 22, welche sich gegenüberliegen und welche von der Wickelfolie 14 überdeckt sind, und die übrigen zwei Seiten bilden zwei gegenüberliegende Stirnseiten 24. An den Stirnseiten 24 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel je ein Ableiter 10 angeordnet, sodass die Ableiter 10 das Umwickeln mit der Wickelfolie 14 gerade nicht behindern. Die Stirnseiten 24 bilden auch jeweils ein Ende des Zellstapels 4 in einer Längsrichtung L. Die Umlaufrichtung U führt dann um die Längsrichtung L herum.
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Wie in 4 erkennbar ist, wird der Zellstapel 4 mit der Wickelfolie 14 umwickelt, indem die Wickelfolie 14 vorliegend derart um den Zellstapel 4 herumgeschlagen wird, dass auf einer Seite des Zellstapels 4 eine Innenseite 26 der Wickelfolie 14 auf einer Außenseite 28 der Wickelfolie 14 aufliegt und dadurch ein Überlapp 30 der Wickelfolie 14 mit sich selbst gebildet ist. Die Wickelfolie 14 wird hier lediglich einmal um den Zellstapel 4 herumgeschlagen und der Überlapp 30 ist auf der Oberseite 18 angeordnet. Vorliegend erstreckt sich der Überlapp 30 in Längsrichtung L über eine Gesamtlänge des Zellstapels 4 und sogar darüber hinaus, was aber nicht zwingend ist.
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Der Überlapp 30 dient vorrangig zur Fixierung der Wickelfolie 14 an sich selbst und weist vorliegend eine Breite B von wenigstens 5 mm auf. Die Breite B des Überlapps 30 ist in Richtung einer nicht explizit bezeichneten Breite und senkrecht zur Längsrichtung L des Zellstapels 4 gemessen. Die Wickelfolie 14 ist vorliegend auf zumindest einer Seite (Innenseite 26, Außenseite 28 oder beide) klebend oder selbsthaftend ausgebildet, zur Befestigung an sich selbst und somit zur Fixierung an sich selbst. Dabei ist die Wickelfolie 14 zumindest entlang des Überlapps 30 klebend oder selbsthaftend ausgebildet.
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In 5 ist eine Variante zur Ausgestaltung der 4 gezeigt, auch hier gelten die Ausführungen analog für andere Ausgestaltungen des Zellstapels 4. Bei dem Ausführungsbeispiel der 5 weist die Wickelfolie 14 zwei Randbereiche 32 auf, welche über zwei Stirnseiten 24 des Zellstapels 4 überstehen und umgeknickt werden (durch Pfeile angedeutet), sodass die Randbereiche 32 an den Stirnseiten 24 anliegen (in 5 ist nur eine der Stirnseiten 24 sichtbar), zur Fixierung des Zellstapels 4 in Längsrichtung L. Die Herstellung weist demnach dann einen weiteren, optionalen Schritt S2' „Umknicken der Wickelfolie“ auf, dieser Schritt S2' erfolgt insbesondere erst nach dem Umwickeln im zweiten Schritt S2. Die Randbereiche 32 der Wickelfolie 14 sind zwei Randstreifen, welche sich entlang der Wickelfolie 14 erstrecken und deren Seitenränder bilden. Zwischen den Randbereichen 32 liegt dann ein Mittenbereich 34 der Wickelfolie 14. Bei dem hier gezeigten quaderförmigen Zellstapel 4 überdeckt der Mittenbereich 34 dann die Oberseite 18, die Unterseite 20 und die beiden Seitenflächen 22, die Randbereiche 32 überdecken dagegen die Stirnseiten 24, zumindest teilweise. Entsprechend sind die Randbereiche 32 - wie hier erkennbar ist - deutlich schmaler als der Mittenbereich 34. Ebenfalls ist in 5 erkennbar, dass der Überlapp 30 auch in den Randbereichen 32 ausgebildet und somit ebenfalls auf die Stirnseiten 24 geführt ist. Der Zellstapel 4 weist an den Übergängen von Oberseite 18 und Unterseite 20 zu einer jeweiligen Seitenfläche 22 jeweils eine Ecke 36 auf, welche beim Umknicken der Randbereiche 32 dazu führt, dass hier die Wickelfolie 14 mehrlagig angeordnet ist oder zusammengestaucht ist. In einer möglichen Ausgestaltung werden die Randbereiche 32 der Wickelfolie 14 zum Umknicken im Bereich der Ecken 36 zusätzlich eingeschnitten, dies aber nicht zwingend.
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Die in den Ausführungsbeispielen jeweils gezeigte Energiezelle 2 ist eine Pouch-Zelle. Die beschriebenen Konzepte sind aber grundsätzlich auch auf andere Zelltypen und -geometrien, Bauformen und Konzepte anwendbar. Speziell bei einer Pouch-Zelle wird der Zellstapel 4 beim Umhüllen mit einer Zellhülle 12 umgeben, welche als eine Tüte ausgebildet ist und zunächst an drei von vier Seiten 38, 40 verschlossen ist. Dies ist in 6 in einer Ansicht in Stapelrichtung S des Zellstapels 4 mit Blick auf dessen Oberseite 18 gezeigt, der Zellstapel 4 und die darum herumgewickelte Wickelfolie 14 sind hier jedoch durch die Zellhülle 12 verdeckt und nur angedeutet. Der Zellstapel 4 in 6 ist beispielsweise wie in einer der 2 - 4 ausgebildet. Die Zellhülle 12 weist eine offene, vierte Seite 40 auf (in 6 die obere der Seiten 38, 40), über welche dann das Elektrolyt 16 eingefüllt wird. Der Zellstapel 4 ist innerhalb der Zellhülle 12 derart orientiert, dass eine der Seitenflächen 22 zur offenen Seite 40 der Zellhülle 12 hinweist. Die Stirnseiten 24 und auch die beiden Ableiter 10 weisen dagegen zu zwei der verschlossenen Seiten 38 der Zellhülle 12 hin, wobei die Ableiter 10 durch die Zellhülle 12 hindurch nach außen geführt sind und in 6 entsprechend sichtbar sind. Die Oberseite 18 und die Unterseite 20 des Zellstapels liegen flächig an der Zellhülle 12 an. Auf der offenen Seite 40 weist die Zellhülle 12 eine Überlänge auf, welche nach dem Befüllen mit dem Elektrolyt 16 in einem Entgasungsschritt als Gastasche 42 dient. Nach dem Entgasungsschritt wird die Gastasche 42 abgetrennt und die Zellhülle 12 auch auf der vierten Seite 40 verschlossen.
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Die Wickelfolie 14 ist vorliegend aus dem gleichen Material wie der Separator 8 gefertigt, d.h. aus einem Separatormaterial. Das Material des Separators 8 und somit auch die Wickelfolie 14 sind elektrisch isolierend und zum anderen durchlässig für das Elektrolyt 16. In einer möglichen Ausgestaltung ist die Wickelfolie 14 eine mikroporöse Membran und/oder aus einem Polyolefin, PE oder PP hergestellt und/oder besteht aus einer Keramik oder weist eine einseitige oder beidseitige Keramikbeschichtung auf.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 ist die Wickelfolie 14 gegenüber dem Zellstapel 4 ein eigenständiges, separates Bauteil. Die Wickelfolie 14 ist dann nicht mit dem Separator 8 verbunden, sondern von diesem unabhängig und liegt höchstens an diesem an. Die Wickelfolie 14 wird entsprechend unabhängig vom Separator 8 angebracht. Zunächst wird der Zellstapel 4 aus Elektrodenlagen 6 und Separator 8 zusammengesetzt und anschließend mit der separaten Wickelfolie 14 umwickelt.
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Alternativ sind im Ausführungsbeispiel der 3 der Separator 8 und die Wickelfolie 14 im Gegensatz zur Ausgestaltung der 2 einstückig ausgebildet, indem der Separator 8 endseitig eine Überlänge aufweist, welche dann die Wickelfolie 14 bildet. Die Überlange ist dabei derart bemessen, dass diese einmalig um den Zellstapel herumführt und zusätzlich noch den Überlapp 30 bildet. Mit anderen Worten: der Separator 8 des Zellstapels 4 wird als Wickelfolie 14 fortgeführt. Diese einstückige Ausgestaltung von Separator 8 und Wickelfolie 14 ist besonders sinnvoll bei einem Z-gefalteten Separator 8 wie in 3 gezeigt. Hierbei ist der Separator 8 in Z-Faltung zwischen den Elektrodenlagen 6 hindurchgeführt. Aber auch abseits eines Z-gefalteten Separators ist eine einstückige Ausgestaltung von Separator und Wickelfolie grundsätzlich möglich, d.h. das Konzept ist grundsätzlich unabhängig von der konkreten Ausgestaltung und Führung des Separators 8 und somit z.B. auch in 2 anwendbar. Umgekehrt ist auch in 3 eine Wickelfolie 14 als eigenständiges, separates Bauteil möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Energiezelle
- 4
- Zellstapel
- 6
- Elektrodenlagen
- 8
- Separator
- 10
- Ableiter
- 12
- Zellgehäuse
- 14
- Wickelfolie
- 16
- Elektrolyt
- 18
- Oberseite
- 20
- Unterseite
- 22
- Seitenfläche
- 24
- Stirnseite
- 26
- Innenseite (der Wickelfolie)
- 28
- Außenseite (der Wickelfolie)
- 30
- Überlapp
- 32
- Randbereich (der Wickelfolie)
- 34
- Mittenbereich (der Wickelfolie)
- 36
- Ecke
- 38
- verschlossene Seite (der Zellhülle)
- 40
- offene Seite (der Zellhülle)
- 42
- Gastasche
- B
- Breite (des Überlapps)
- L
- Längsrichtung
- S
- Stapelrichtung
- S1
- erster Schritt (Zusammensetzen)
- S2
- zweiter Schritt (Umwickeln)
- S2'
- optionaler Schritt (Umknicken)
- S3
- dritter Schritt (Einhausen)
- S4
- vierter Schritt (Befüllen)
- U
- Umlaufrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009013345 A1 [0004]
- DE 102018231716 A1 [0004]
- US 8497032 B2 [0004]
