DE102021209784A1

DE102021209784A1 - Lithium-Ionen-Batteriezelle

Info

Publication number: DE102021209784A1
Application number: DE102021209784.7A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-09-06
Filing date: 2021-09-06
Publication date: 2023-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einem Aktivmaterial, das zumindest einen Elektrodenstapel (E) aufweist, der aus in Stapelrichtung (S) übereinander gestapelten Anoden-, Kathoden- und Separatorlagen besteht. Erfindungsgemäß ist im Elektrodenstapel (E) die Kathodenlage als eine Kathoden-Doppellage (11) aus zwei in Stapelrichtung (S) unmittelbar benachbarten Kathodenteillagen (12, 13) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lithium-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 10.
Eine gattungsgemäße Lithium-Ionen-Batteriezelle weist ein Aktivmaterial mit einem Elektrodenstapel auf. Der Elektrodenstapel besteht aus in Stapelrichtung übereinander gestapelten Anoden-, Kathoden- und Separatorlagen.
Aus der US 2017 0373297 A1 ist eine Lithium-Ionen-Batteriezelle bekannt.
Die für eine Batteriezelle maßgebliche spezifische Kapazität ist identisch mit der kleineren der beiden spezifischen Kapazitäten von Anode und Kathode. Normalerweise weist die Anode die drei- bis vierfache spezifische Kapazität der Kathode auf. Um nun die gleiche spezifische Kapazität von sowohl Anode als auch Kathode zu erreichen, muss daher im Vergleich zur Anodenmasse etwa die vierfache Masse der Kathode eingesetzt werden. Dies führt zu einer entsprechend großen Kathoden-Schichtdicke. Eine solche große Kathoden-Schichtdicke reduziert zwangsläufig die volumetrische Energiedichte der Zelle.
Um die volumetrische Energiedichte der Zelle zu erhöhen, wird im Stand der Technik die Kathode im Herstellungsprozess (das heißt beim Kalandern) etwa dreimal stärker komprimiert als die Anode. Beispielhaft kann die Anode-Dichte nach dem Kalandrieren bei 1,6 g/cm³ und die Kathode-Dichte bei 3,6-3,8 g/cm³ liegen. Nach einer so hohen Verdichtung der Kathodenelektrode können die Anode und Kathode in etwa die gleiche Schichtdicke aufweisen.
Die obige Vorgehensweise ist für Anoden auf Graphitbasis gut geeignet. In neueren Entwicklungen wird jedoch bis zu 15% Silizium in Graphit verwendet. Silizium kann die spezifische Kapazität der Anode um das Fünffache erhöhen. Um die Vorteile einer Anode mit derart hoher spezifischer Kapazität zu nutzen, muss die Kathodenmaterial-Masse entsprechend stark erhöht werden. In diesem Fall ergibt sich selbst nach erfolgter Verdichtung eine vergleichsweise große Kathodenmaterialschichtdicke, die zu einer reduzierten volumetrischen Energiedichte der Batteriezelle führt.
Eine übermäßig große Kathoden-Schichtdicke hat den folgenden Nachteil: Die Lithium-Ionen müssen beim Lade-/Entladevorgang einen längeren Diffusionsweg zwischen der Anode und der Kathode zurücklegen. Der lange Diffusionsweg der Lithium-Ionen bedeutet, dass der Strom nur mit reduzierte Lade-/Entlade-Rate fließt. In diesem Fall stellt die Zelle zwar einen hohen Energieinhalt bereit, jedoch nur eine reduzierte Lade-/Entlade-Rate. Eine hohe Lade-/Entlade-Rate bedeutet, dass ein hoher Strom in kurzer Zeit fließt.
Eine übermäßig große Kathoden-Schichtdicke führt auch beim Kalandrieren zu Problemen: Wie bereits erwähnt, muss die Kathodenelektrode auf eine höhere Dichte komprimiert werden, um eine hohe volumetrische Energiedichte zu erreichen. Bei einer Verdichtung der Kathode auf eine höhere Dichte können jedoch Risse im Aktivmaterial, ein inhomogener Porositätsgradient, das heißt eine Abnahme der Porosität an der Oberfläche, sowie Risse in der Metall-Trägerfolie, entstehen. Zudem ist eine hohe Kalandrierkraft im Kalandrierprozess erforderlich und es kann zu einer Faltenbildung beim Kalandrieren kommen.
Bei einer Kathode mit hoher Schichtdicke ist ferner die Porosität des Kathodenmaterials an der Oberfläche viel geringer als die Porosität des Kathodenmaterials an der Metall-Trägerfolie. Infolgedessen können sich Lithium-Ionen nicht so leicht in das Aktivmaterial einlagen. Die Metall-Trägerfolie (das heißt das Aluminiumsubstrat) kann außerdem einer hohen Kalandrierkraft nicht ohne weiteres standhalten und kann Risse bekommen. Dies bedeutet, dass einige Bereiche der Kathode nicht mehr elektrisch leitfähig sind. Eine hohe Kalandrierkraft erfordert zudem eine größere Kalandriermaschine, was den Platzbedarf und die Kosten erhöht. Ferner nimmt die Kalandrierwalzen-Durchbiegung mit zunehmender Kalandrierkraft zu, wodurch die Dickengenauigkeit der Elektrode verringert wird. Eine erhöhte Kalandrierkraft führt außerderm vermehrt zu Falten im Stromableiter.
Nach dem Beschichtungsprozess kann die Kathodenmaterialschichtdicke im Stand der Technik etwa 150-200 Mikrometer betragen. Diese wird nach erfolgtem Kalandrierprozess auf etwa 100 - 150 Mikrometer reduziert. Bei der Beschichtung von Kathodenmaterial mit hoher Schichtdicke treten zudem folgende Probleme auf: So ist die Trocknung einer dicken Beschichtung von unten nach oben schwierig. Die Oberfläche trocknet schneller, was später zu Löchern und Rissen in der Schicht führt. Zudem ergeben sich Beschichtungsfehler in Form von ungleichmäßiger Dicke und Delamination. Von daher ist die Beschichtung einer großen Kathodenmaterialschicht von mehr als 200 Mikrometer fertigungstechnisch schwierig durchführbar ist. Die Beschichtungsgeschwindigkeit verringert sich und es wird auch mehr Energie benötigt, um das Lösungsmittel zu verdampfen. Hohe Schichtdicken sind zudem problematisch in Bezug auf die Haftung der Kathodenmaterialschicht auf dem Aluminiumsubstrat (das heißt der Metall-Trägerfolie). Dies kann zu einer Delaminierung der Beschichtung während des Wickelns führen.
Eine übermäßig große Kathoden-Schichtdicke führt außerdem dazu, dass mehr Kohlenstoff benötigt wird, damit die elektrische Leitfähigkeit im Kathodenmaterial erhalten bleibt. Eine Erhöhung von leitfähigen Bestandteilen, wie Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhrchen usw., ist kostspielig, verringert die Energiedichte der Zelle und erhöht auch die Viskosität der Kathodenmaterial-Ausgangskomponente. Zudem muss bei einer großen Kathoden-Schichtdicke auch eine entsprechend große Schichtdicke der Metall-Trägerfolie vorgehalten werden, was zu einer reduzierten volumetrischen Energiedichte der Zelle führt. Normalerweise kann der Kohlenstoffgehalt zwischen 1 und 4 % liegen: Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto höher die Leitfähigkeit. Ein höherer Kohlenstoffgehalt erhöht auch den Bedarf an Bindemittel und Lösungsmittel. Außerdem erhöht sich die Viskosität der Kathodenmaterial-Ausgangskomponente. Ein höherer Kohlenstoffgehalt verringert die Energiedichte. Um eine hohe Leitfähigkeit und eine hohe Energiedichte zu erreichen, ist ein niedriger Leitfähigkeitsanteil erforderlich. Für eine dickere Kathode werden mehr leitfähige Bestandteile benötigt, was die Energie der Zelle drastisch reduziert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lithium-lonen-Batteriezelle bereitzustellen, deren Betriebssicherheit und/oder Leistungsfähigkeit im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher Weise gesteigert werden kann.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer Lithium-Ionen-Batteriezelle aus, deren Aktivmaterial zumindest einen Elektrodenstapel aufweist. Der Elektrodenstapel besteht aus in Stapelrichtung übereinander gestapelten Anoden-, Kathoden- und Separatorlagen. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist im Elektrodenstapel die Kathodenlage als eine Doppellage aus zwei in Stapelrichtung unmittelbar benachbarten Kathodenteillagen ausgebildet. Die beiden Kathodenteillagen sind bevorzugt ohne Zwischenlage einer Anoden- oder Separatorlage übereinander positioniert.
Erfindungsgemäß kann also mit der Kathoden-Doppellage eine erhöhte Masse an Kathodenmaterial bereitgestellt werden. Die Kathodenmaterialschichten pro Kathodenteillage kann jedoch auf einer vergleichsweise geringen Schichtdicke gehalten werden.
In dem erfindungsgemäßen Elektrodenstapel befinden sich daher zwei Kathoden zwischen zwei Anoden. Der Separator befindet sich nur zwischen Anode und Kathode. Die Kathode kann Mikrolöcher von etwa 0,5 bis 3 mm aufweisen. Die Position der Löcher in der ersten Kathode und in der zweiten Kathode sind leicht zueinander verschoben. Sowohl die erste Kathode als auch die zweite Kathode können mit einer doppelseitigen Beschichtung versehen sein. Eine Seite der Beschichtung der ersten Kathode ist der einen Anode zugewandt. Hier bewegen sich die Lithium-Ionen direkt zwischen der Anode und ersten Kathode auf kürzestem Weg. Daher erreichen diese Lithium-Ionen die Anode am schnellsten. Dies bedeutet, dass eine hohe Lade-/Entlade-Rate möglich ist. Ferner können sich die Lithium-Ionen von der zweiten Kathode durch die Mikrolöcher der ersten Kathode zur Anode bewegen. Wenige Lithium-Ionen in der zweiten Kathode, die den Löchern in ersten Kathode gegenüberliegen, bewegen sich in gerader Linie zu Anode. Aufgrund des längeren Weges benötigen diese Lithium-Ionen mehr Zeit, um die Anode zu erreichen. Daher wird die zweite Kathode im Vergleich zur Anode eine reduziertere Lade-/Entlade-Rate liefern. Zudem können Lithium-Ionen von der zweiten Kathode, die nicht den Löchern der ersten Kathode zugewandt sind, einen schrägeren und längeren Weg zur Anode nehmen. Diese Lithium-Ionen benötigen die meiste Zeit, um die Anode zu erreichen. Daher werden diese Lithium-Ionen die niedrigste Lade-/Entlade-Rate liefern.
Die Löcher in der Kathode können nach dem Kalandrieren durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, nämlich durch eine mechanische Stanzmethode. Hier sind Löcher mit Durchmessern um 5 mm schwierig, da der Stanzstempel brechen kann. Alternativ kann ein Laserschneidverfahren durchgeführt werden. Hier sind durch lokale Lasererwärmung kleine Löcher um 1-2 mm möglich. Zudem kann eine Ultraschallbearbeitung mit Hilfe der Schneidwirkung vibrierender Schleifpartikel durchgeführt werden. Hier sind kleinere Lochgrößen um 1-2 mm möglich.
Das obige Verfahren erzeugt mehr Abfall, da das aktive Material zusammen mit dem Aluminiumsubstrat geschnitten wird. Daher werden auch die folgenden zwei Methoden zur Herstellung der Kathoden-Doppellage vorgeschlagen. Diese Methoden werden während der Beschichtung durchgeführt. Hier ergibt sich keine Materialverschwendung. Lediglich die Löcher haben eine größere Abmessung von etwa 5 mm. Das Aluminiumsubstrat wird zunächst gestanzt und dann von beiden Seiten beschichtet. In den gestanzten Loch-Bereichen wird keine Beschichtung aufgetragen. Daher ergibt sich keine Verschwendung von Aktivmaterial. Alternativ kann die Beschichtung so erfolgen, dass ein Lochmuster entsteht. Nach dem Kalandrieren werden Löcher in das Aluminiumsubstrat geschnitten, und zwar an den Stellen, an denen sich keine Beschichtung befindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Kathoden-Doppellage zwei Kathodenstromableiter aufweisen, die miteinander verbindbar sind.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, dass anstelle einer dicken Kathode zwei dünne Kathoden vorhanden sind. Dadurch wird die Einlagerung von Lithium-Ionen in die Kathode beschleunigt und die elektrische Leitfähigkeit der Kathode erhöht. Dies kann eine hohe Lade-/Entlade-Rate und gleichzeitig einen hohen Energieinhalt der Batteriezelle begünstigen. Normalerweise besteht der Batteriestapel aus Anode - Separator - Kathode - Separator - Anode. In der vorliegenden Erfindung besteht der Batteriestapel aus Anode - Separator - erste Kathode - zweite Kathode - Separator - Anode.
Bevorzugt können die erste Kathode (bzw. erste Kathodenteillage) und die zweite Kathode (bzw. zweite Kathodenteillage) Löcher aufweisen, die um eine gewisse Distanz verschoben sind. Die Löcher ermöglichen die Bewegung der Lithium-Ionen von der am weitesten entfernten Kathode zur Anode. Ohne die Löcher ist es nicht möglich, Lithium-Ionen zwischen Kathode und Anode zu transportieren.
Die Verschweißung von Anoden- und Kathodenableitern erfolgt in herkömmlicher Weise. Hier können die beiden Kathoden mit anderen Kathoden zu einem kathodenseitigen Zellterminal zusammengefügt werden. Es besteht keine Notwendigkeit, eine hohe Kathodendichte anzustreben. Dies verringert die Komplexität und die Mängel beim Kalandrieren, insbesondere den Bruch des Aktivmaterials und den inhomogenen Porositätsgradienten.
Wenn dagegen eine einzige dicke Kathode verwendet wird, ist das Kalandrieren normalerweise schwierig. Um eine hohe volumetrische Energiedichte zu erreichen, ist eine hohe Dichte von 3,8 g/cm³ erforderlich. Die Verwendung von zwei Kathoden (das heißt zwei Kathodenteillagen) verringert die Komplexität des Kalandrierens, da es nicht notwendig ist, eine hohe Dichte von etwa 3,8 g/cm³ zu erreichen. Die Dicke der der Anode zugewandten Beschichtung kann geringer sein als die Dicke der der Kathode zugewandten Beschichtung. Dies hat den Vorteil, dass man neben einer hohen Kapazität auch eine hohe Lade-/Entlade-Rate (hohe Leistung) erzielen kann. Eine hohe Leistung ist mit einer dicken Kathode nicht möglich. Dies ist optional.
Alternativ ist es möglich, beide Kathodenbeschichtungen mit der gleichen Dicke zu versehen. Normalerweise führt ein hoher Strom zu einer stärkeren Erwärmung der Stromableiter. Da erfindungsgemäß bevorzugt zwei kathodenseitige Stromableiter vorhanden sind, wird der Strom wird auf die beiden Stromableiter verteilt und die Erwärmung reduziert.
Die Dicke der Metall-Trägerfolie (das heißt Aluminiumsubstrat) kann um 10 Mikrometer oder weniger reduziert werden. Dies ist bei einer dickeren Kathodenbeschichtung nicht möglich. Obwohl also zwei Kathoden zwei Aluminiumsubstrate erforderlich sind, erhöht sich das Gewicht der Zelle dadurch nicht.
Die kombinierte Masse des Aktivmaterials beider Kathoden kann bevorzugt die gleiche spezifische Kapazität wie die der Anode ergeben. Die Erfindung ist besonders nützlich für eine Anode mit Graphit und Silizium. Die Kapazität der Anode ist sehr hoch (etwa 600-700Ah) im Vergleich zur Kathode. Um die gleiche Kapazität in der Kathode (NMC 811) zu erhalten, ist es wichtig, eine hohe Masse der Kathode zu haben. Diese hohe Masse führt zu einer hohen Dicke der Kathodenbeschichtung. Dadurch wird die Entlade-/Lade-Rate reduziert und es entstehen Defekte während der hohen Kompression beim Kalandrieren. Daher wird in dieser Erfindung die gleiche Kathodenmasse auf zwei Substrate (das heißt Metall-Trägerfolien) aufgetragen. Dadurch wird die Dicke der Kathode reduziert und somit die Entlade-/Lade-Rate verbessert. Der Hauptvorteil der Erfindung besteht also darin, dass die Kathoden-Doppellage zwar eine hohe Masse aufweist, jedoch die Kathodenteillagen jeweils keine hohen Schichtdicken aufweist.
Nachfolgend sind Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So kann die Kathoden-Doppellage in Stapelrichtung betrachtet zwischen zwei Anodenlagen angeordnet sein. Die Anodenlagen sind jeweils mittels einer Separatorlage von der Kathoden-Doppellage separiert.
Jede der Kathodenteillagen kann aus einer Metallfolie gebildet sein. Die Metallfolie kann beidseitig mit Kathodenmaterial beschichtet sein. In gleicher Weise kann auch jede der Anodenlagen aus einer Metallfolie gebildet sein, die beidseitig mit Anodenmaterial beschichtet ist.
Zudem kann jede der Kathodenteillagen einen eigenen Stromableiter aufweisen, der in elektrischer Verbindung mit einem kathodenseitigen Zellterminal ist. Ebenso kann jede der Anodenlagen einen eigenen Stromableiter aufweisen, der in elektrischer Verbindung mit einem anodenseitigen Zellterminal ist.
Zur Bereitstellung von kurzen Diffusionswegen für die Lithium-Ionen während der Lade-/Entladevorgänge kann die Kathodenteillage wie folgt ausgebildet werden: So können die Kathodenteillagen Durchgangslöcher aufweisen. Dabei können die Durchgangslöcher der einen Kathodenteillage und die Durchgangslöcher der anderen Kathodenteillage quer zur Stapelrichtung um Querversätze versetzt sein. Auf diese Weise sind die Durchgangslöcher der einen Kathodenteillage von einer geschlossenen Fläche der anderen Kathodenteillage überdeckt.
Im Hinblick auf eine fertigungstechnisch einfache Bereitstellung der Kathoden-Doppellage ist folgende Ausführungsvariante bevorzugt: So können die beiden Kathodenteillagen nicht voneinander separat ausgebildet sein, sondern vielmehr materialeinheitlich und einstückig ineinander übergehen. Die beiden Kathodenteillagen können an einer Faltachse auf Umschlag übereinander gefaltet sein.
Die Kathoden-Doppellage kann prozesstechnisch günstig in einem nachfolgend beschriebenen Verfahren hergestellt werden: In dem Verfahren wird zunächst eine Metallfolie als Bandware bereitgestellt. Die Metallfolie wird in einem Kalandrierprozess beidseitig mit Kathodenmaterial beschichtet. Anschließend folgt ein Schneidprozess, in dem die beschichtete Metallfolie zu einem Kathodenlagen-Zwischenprodukt zugeschnitten wird. In einem nachfolgenden Faltprozess wird das Kathodenlagen-Zwischenprodukt um eine Faltachse zu der Kathoden-Doppellage gefaltet.
Die Durchgangslöcher können in einem Perforierprozess in die Kathoden-Doppellage eingebracht werden. Beispielhaft kann der Perforierprozess nach dem Beschichtungs-/Kalandrierprozess sowie vor dem Faltprozess stattfinden. In diesem Fall ergibt sich jedoch ein hoher Materialausschuss bestehend aus den Schneidrückständen der Metallfolie sowie des Kathodenmaterials. Um den Materialausschuss zu reduzieren, ist die folgende Ausführungsvariante durchführbar: So kann im Kalandrierprozess das Kathodenmaterial mit einem Lochmuster auf der Metallfolie beschichtet werden. Das Lochmuster besteht aus beschichteten Lochmuster-Abschnitten sowie unbeschichteten Lochmuster-Abschnitten, in denen die Metallfolie freigelegt ist. Im, nach dem Kalandrierprozess stattfindenden Perforierprozess können die Durchgangslöcher zumindest teilweise in den unbeschichteten Lochmuster-Abschnitten erzeugt werden. Alternativ dazu kann der Perforierprozess auch bereits vor dem Kalandrierprozess stattfinden.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 3 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Lithium-lonen-Batteriezelle;
4 zwei in der Batteriezelle verbaute Kathoden-Teillagen;
5 eine Ansicht entsprechend der 2, anhand der ein Ladevorgang veranschaulicht ist; und
6 eine Prozesskette zur Herstellung der Batteriezelle.

Nachfolgend wird anhand der 1 bis 3 der Aufbau der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batteriezelle beschrieben, die beispielhaft als eine Pouchzelle realisiert ist. Gemäß der 1 weist die Batteriezelle ein Zellgehäuse 1 auf, das aus zwei schalenförmigen Gehäuseteilen 3 ausgebildet ist, die jeweils aus einem Folienmaterial tiefgezogen sind. Die beiden Gehäuseteile 3 sind an umlaufenden Siegelflanschen 5 zusammengefügt. Die Batteriezelle weist an gegenüberliegenden Zellgehäuse-Schmalseiten Zellterminals 7, 9 für einen externen Stromabgriff auf. Die beiden Zellterminals 7, 9 sind in der 2 zwischen Siegelflanschen 5 aus dem Zellgehäuse 1 geführt.
Im Zellgehäuse-Inneren ist ein Elektroden-Stapel E (3) angeordnet, der aus in Stapelrichtung S übereinander gestapelten Anoden-, Kathoden- und Separatorlagen besteht. In der 2 oder 3 ist die mittlere Kathodenlage 11 als eine Doppellage ausgebildet. Diese besteht aus zwei, in Stapelrichtung S unmittelbar benachbarten Kathodenteillagen 12, 13. Die Kathoden-Doppellage 11 ist in Stapelrichtung S betrachtet zwischen zwei Anodenlagen 15 angeordnet. Diese sind jeweils mittels seiner Separatorlage 17 von der mittleren Kathoden-Doppellage 11 separiert. Jede der Kathodenteillagen 12, 13 ist aus einer Metallfolie 19 (Aluminium) gebildet, die beidseitig mit einer Kathodenmaterialschicht 21 beschichtet ist. In gleicher Weise ist jede der Anodenlagen 15 aus einer Metallfolie 23 (Kupferfolie) gebildet, die beidseitig mit einer Anodenmaterialschicht 25 beschichtet ist.
Jede der beiden Kathodenteillagen 12, 13 weist einen eigenen Stromableiter 27 auf, der Bestandteil der Metallfolie 19 ist und mit dem kathodenseitigen Zellterminal 7 in elektrischer Verbindung ist. Ebenso ist auch in jeder der Anodenlagen 15 die Metallfolie 23 mit einem Anoden-Stromableiter 29 ausgebildet, der mit dem anodenseitigen Zellterminal 9 in elektrischer Verbindung ist.
Wie aus den 3 und 4 hervorgeht, sind die beiden Kathodenteillagen 12, 13 mit Durchgangslöcher 31 perforiert. Im gestapelten Zustand (3) sind die Durchgangslöcher 31 der einen Kathodenteillage 12 und die Durchgangslöcher 31 der anderen Kathodenteillage 13 quer zur Stapelrichtung S zueinander um Querversätze Δy (4) versetzt. Die Durchgangslöcher 31 der einen Kathodenteillage 12 sind daher von einer geschlossenen Fläche der anderen Kathodenteillage 13 überdeckt.
Nachfolgend ist anhand der 5 eine Prozesskette zur Herstellung der Kathoden-Doppellage 11 angedeutet. Demzufolge wird zunächst die noch unbeschichtete Aluminiumfolie 19 zum Beispiel als Bandware bereitgestellt. In einem folgenden Perforierprozess werden die Durchgangslöcher 31 in die noch unbeschichtete Aluminiumfolie 19 eingebracht. Anschließend folgt ein Beschichtungsprozess, in dem die Aluminiumfolie 19 beidseitig mit nassem Kathodenmaterial 21 beschichtet wird. Nach Trocknung des Kathodenmaterials 21 folgt ein Kalandrierprozess sowie ein Schneidprozess, in dem die beschichtete Aluminiumfolie 19 zu einem Kathodenlagen-Zwischenprodukt 33 zugeschnitten wird. Nach dem Schneidprozess findet ein Faltprozess statt, bei dem das Kathodenlagen-Zwischenprodukt 33 um eine Faltachse 35 umgeschlagen wird, wodurch die Kathoden-Doppellage 11 fertiggestellt ist. Diese wird dann einem nicht gezeigten Stapelprozess zugeführt, in dem der Elektrodenstapel E erzeugt wird.
In der 6 ist beispielhaft ein Ladevorgang angedeutet. Demnach sind gemäß der 6 in den Kathodenmaterialschichten 21 der Kathoden-Doppellage 11 Lithium-Ionen 36 eingelagert. Im Ladevorgang können die auf den äußeren Kathodenmaterialschichten 21a eingelagerten Lithium-Ionen 36 über kurze Diffusionswege s₁ durch die jeweilige Separatorlage 17 in Richtung Anodenlage 15 diffundieren. Zudem können die auf den inneren Kathodenmaterialschichten 21b eingelagerten Lithium-Ionen 36 über Durchgangslöcher 31 der benachbarten Kathodenteillage 12, 13 in Richtung Anodenlage 15 diffundieren. Hierbei ergeben sich für die Lithium-Ionen 36 zwei Diffusionswege s₂ und s₃: Der mittellange Diffusionsweg s₂ ist in Flucht zur Stapelrichtung S ausgerichtet. Der längere Diffusionsweg s₃ weist eine Querweg-Komponente auf, so dass die Lithium-Ionen 36 aus einer inneren Kathodenmaterialschicht 21b zunächst einen Querweg bis Erreichen eines Durchgangsloches 31 der benachbarten Kathodenteillage 12, 13 zurücklegen müssen, von wo sie in Richtung Anodenlage 15 diffundieren können.
Bezugszeichenliste

1: Zellgehäuse
3: Gehäuseteile
5: Siegelflansche
7,9: Zellterminals
11: Kathoden-Doppellage
12, 13: Kathodenteillagen
15: Anodenlage
17: Separatorlage
19: Kathoden-Metallschicht
21, 21a, 21b: Kathodenmaterialschichten
23: Anoden-Metallfolie
25: Anoden-Materialschicht
27: Kathoden-Stromableiter
29: Anoden-Stromableiter
31: Durchgangslöcher
33: Kathodenlagen-Zwischenprodukt
35: Faltachse
S: Stapelrichtung
E: Elektrodenstapel
Δy: Querversatz
s1 - s3: Diffiusionswege

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20170373297 A1 [0003]

Claims

Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einem Aktivmaterial, das zumindest einen Elektrodenstapel (E) aufweist, der aus in Stapelrichtung (S) übereinander gestapelten Anoden-, Kathoden- und Separatorlagen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass im Elektrodenstapel (E) die Kathodenlage als eine Kathoden-Doppellage (11) aus zwei in Stapelrichtung (S) unmittelbar, das heißt insbesondere ohne Zwischenlage einer Anoden- oder Separatorlage, benachbarten Kathodenteillagen (12, 13) ausgebildet ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden-Doppellage (11) in Stapelrichtung (S) betrachtet zwischen zwei Anodenlagen (15) angeordnet ist, die jeweils mittels einer Separatorlage (17) von der Kathoden-Doppellage (11) separiert sind.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Kathodenteillagen (12, 13) aus einer Metallfolie (19) gebildet ist, die beidseitig mit Kathodenmaterial (21) beschichtet ist, und/oder dass jede der Anodenlagen (15) aus einer Metallfolie (23) gebildet ist, die beidseitig mit Anodenmaterial (25) beschichtet ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Kathodenteillagen (12, 13) einen eigenen Stromableiter (27) aufweist, der in elektrischer Verbindung mit einem kathodenseitigen Zellterminal (7) ist, und/oder dass jede der Anodenlagen (15) einen eigenen Stromableiter (29) aufweist, der in elektrischer Verbindung mit einem anodenseitigen Zellterminal (9) ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung von kurzen Diffusionswegen (s₁ bis s₃) für Lithium-Ionen (36) während Lade-/Entladevorgänge die Kathodenteillagen (12, 13) mit Durchgangslöcher (31) ausgebildet sind, und dass insbesondere die Durchgangslöcher (31) der einen Kathodenteillage (12, 13) und die Durchgangslöcher (31) der anderen Kathodenteillage (12, 13) quer zur Stapelrichtung (S) um Querversätze (Δy) versetzt sind, und/oder dass die Durchgangslöcher (31) der einen Kathodenteillage (12, 13) von einer geschlossenen Fläche der anderen Kathodenteillage (12, 13) überdeckt sind.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kathodenteillagen (12, 13) materialeinheitlich sowie einstückig ineinander übergehen, und das die beiden Kathodenteillagen (12, 13) an einer Faltachse (35) auf Umschlag übereinander gefaltet sind.
Lithium-lonen-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden-Doppellage (11) in einem Verfahren hergestellt ist, bei dem - in einem Kalandrierprozess eine Metallfolie (19) beidseitig mit Kathodenmaterial (21) beschichtet wird, - in einem Schneidprozess die beschichtete Metallfolie (19) zu einem Kathodenlagen-Zwischenprodukt (33) zugeschnitten wird, und - in einem Faltprozess das Kathodenlagen-Zwischenprodukt (33) um eine Faltachse (35) zu der Kathoden-Doppellage (11) gefaltet wird.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangslöcher (31) in einem Perforierprozess in die Kathoden-Doppellage (11) einbringbar ist, und dass insbesondere der Perforierprozess nach dem Kalandrierprozess sowie vor dem Faltprozess erfolgt, oder dass der Perforierprozess vor dem Kalandrierprozess erfolgt.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Kalandrierprozess das Kathodenmaterial (21) mit einem Lochmuster auf der Metallfolie (19) beschichtet wird, und dass das Lochmuster aus beschichteten Abschnitten und unbeschichteten Abschnitten besteht, in denen die Metallfolie (19) freigelegt ist, und dass im Perforierprozess die Durchgangslöcher (31) zumindest teilweise in den unbeschichteten Abschnitten des Lochmusters erzeugt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.