DE102021210487A1

DE102021210487A1 - Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle sowie Lithium-Ionen-Batteriezelle

Info

Publication number: DE102021210487A1
Application number: DE102021210487.8A
Authority: DE
Inventors: Marius Ebbighausen; Miriam Kunze; Timo Paul Schwieters
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-09-21
Filing date: 2021-09-21
Publication date: 2023-03-23
Also published as: CN115842100A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode (2) für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (28). Diese umfasst ein folienartiges Substrat (4) mit einem ersten Abschnitt (10) und mit einem zweiten Abschnitt (12), wobei das Substrat (4) auf dessen ersten Seite (6) im ersten Abschnitt (10) mit einer ersten Beschichtung (14) versehen ist, wobei das Substrat (4) auf der ersten Seite (6) im zweiten Abschnitt (12) mit einer zweiten Beschichtung (16) versehen ist, und wobei die erste Beschichtung (14) und die zweite Beschichtung (16) unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten für Lithium-Ionen aufweisen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrode (2), eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (28) mit solchen Elektroden (2) und ein Verfahren zu deren Betrieb.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, deren Substrat mit einer Beschichtung versehen ist.
Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug weist typischerweise eine Traktionsbatterie (Hochvoltbatterie, HV-Batterie) auf, welche einen Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt. Dabei ist unter einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug insbesondere ein Elektrofahrzeug, welches die zum Antrieb notwendige Energie lediglich in der Traktionsbatterie speichert (BEV, battery electric vehicle), ein Elektrofahrzeug mit einem Reichweitenverlängerer (REEV, range extended electric vehicle), ein Hybridfahrzeug (HEV, hybrid electric vehicle), ein Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) und/oder ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV, fuel cell electric vehicle) zu verstehen, welches die mittels einer Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie in der Traktionsbatterie zwischenspeichert.
Die Traktionsbatterie ist typischerweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgestaltet. Eine solche umfasst eine Anzahl an Lithium-Ionen-Batteriezellen, die beispielsweise in Batteriemodulen (Zellmodulen) zusammengefasst sind. Die Lithium-Ionen-Batteriezellen und/oder die Batteriemodule sind dabei in Serie und/oder parallel zueinander verschaltet, so dass die Traktionsbatterie eine bestimmte Spannung bzw. einen bestimmten Batteriestrom bereitstellen kann.
Jede der Lithium-Ionen-Batteriezellen, die im Folgenden kurz auch als Batteriezellen bezeichnet werden, umfasst eine Anzahl an Anoden und Kathoden. Diese sind beispielswiese übereinander gestapelt, wobei zwischen den Kathoden und den Anoden jeweils ein Separator eingebracht ist. Jede der Anoden und jede der Kathoden sind dabei aus einem folienartigen Substrat gebildet, das mit einer Beschichtung mit Aktivmaterial versehen ist.
Die Batteriezellen können unterschiedliche Zwecke erfüllen. So kann eine Batteriezelle dazu vorgesehen und eingerichtet sein, eine vergleichsweises hohen Strom und/oder eine vergleichsweise hohe Leistung bereitzustellen oder aufzunehmen. Hierzu ist bei den Anoden und bei den Kathoden dieser Batteriezelle die Schichtdicke der auf das jeweilige Substrat aufgebrachten Beschichtung deren Dichte vergleichsweise klein. Beispielsweise weist eines solche Batteriezelle eine Energiedichte zwischen 80 und 100 Wh/kg und eine Leistungsdichte zwischen 2000 und 4000 W/kg auf. Eine solche Batteriezelle wird auch als Hoch-Leistungs-Batteriezelle (High-Power-Cell) bezeichnet. Im Gegensatz hierzu kann eine Batteriezelle als sogenannte Hoch-Energie-Batteriezelle (High-Energy-Cell) ausgebildet sein, die eine vergleichswiese große Kapazität bzw. Energiedichte, dafür aber eine vergleichsweise kleine Leistungsdichte aufweist. Beispielsweise weist eines solche Batteriezelle eine Energiedichte zwischen 150 und 200 Wh/kg und eine Leistungsdichte zwischen 200 und 400 W/kg auf. Hierzu ist eine Sichtdicke und deren Dichte entsprechend groß gewählt.
Hoch-Energie-Batteriezellen haben den Nachteil, dass vergleichsweise hohe Ströme, beispielsweise im Zuge einer Rekuperation, ein sogenanntes Lithium-Plating begünstigen, also zum Abscheiden metallischen Lithiums an der Anode. Hoch-Leistungs-Batteriezellen sind dagegen vergleichsweise teuer. Sie weisen zudem eine kleinere Energiedichte als die Hoch-Energie-Batteriezellen, sodass die Reichweite des Kraftfahrzeugs verringert ist.
Sofern ein Kraftfahrzeug sowohl Hoch-Energie-Batteriezellen als auch Hoch-Leistungs-Batteriezellen aufweist, können die Hoch-Energie-Batteriezelle zu einem Modul oder mehreren Modulen und die Hoch-Leistungs-Batteriezellen zu einem oder mehreren zu diesen separaten Modulen zusammengefasst werden. Ein Batterie-Management-System aktiviert die unterschiedlichen Module dann je nach Bedarf. Beispielsweise wird das Modul oder die Module mit Hoch-Leistungs-Batteriezellen aktiviert, wenn ein vergleichsweise hoher Strom von der Traktionsbatterie bereitgestellt oder diesem zugeführt werden soll. Nachteilig sind diese Module andernfalls inaktiv geschaltet, insbesondere ab- oder weggeschaltet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle bereitzustellen. Insbesondere soll anhand der Elektrode ermöglicht sein, eine vergleichsweise hohe Leistung als auch eine vergleichsweise hohe Kapazität bereitzustellen. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrode, eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit solchen Elektroden sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Lithium-Ionen-Batteriezelle angegeben werden. Zudem soll ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug angegeben werden, dessen Traktionsbatterie mindestens eine derartige Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst.
Bezüglich der Elektrode wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich der Lithium-Ionen-Batteriezelle und dem Verfahren zu deren Betrieb wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 5 bzw. des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung der Elektrode wird die Aufgabe mit dem Merkmalen des Anspruchs 9 und/oder 9 bzw. des Anspruchs 7 erfindungsgemäß gelöst. Hinsichtlich des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Elektrode ist für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle vorgesehen und eingerichtet. Die Elektrode umfasst hierzu ein folienartiges Substrat, das zweckmäßigerweise als eine Metallfolie oder als eine beschichtete Kunststoff- oder Kohlenstofffolie ausgebildet ist. Geeigneter Weise wird eine Kupferfolie oder eine Aluminiumfolie als Substrat verwendet.
Das Substrat weist einen ersten Abschnitt und einen zum ersten Abschnitt unterschiedlichen zweiten Abschnitt auf, wobei das Substrat im ersten Abschnitt auf einer ersten (Substrat-)Seite mit einer ersten Beschichtung versehen ist, und wobei das Substrat auf dieser ersten Seite (Substratseite) im zweiten Abschnitt mit einer zweiten Beschichtung versehen ist.
Zweckmäßigerweise grenzen der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt aneinander an. Insbesondere sind der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt in einer Substrat-Längsrichtung nebeneinander angeordnet. Allenfalls ist die erste Beschichtung hinsichtlich einer Substrat-Hochrichtung (Dickenrichtung) nicht über der zweiten Beschichtung angeordnet, vielmehr ist die erste Beschichtung auf der ersten Substratseite neben der zweiten Beschichtung angeordnet.
Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt sind beispielsweise gleich groß. Alternativ hierzu kann die Ausdehnung des jeweiligen Abschnitts an eine Kapazitätsanforderung oder an eine Leistungsanforderung an eine die Elektrode umfassende Lithium-Ionen-Batteriezelle angepasst sein, so dass der erste Abschnitt größer ist als der zweite Abschnitt oder umgekehrt.
Unter „folienartiges Substrat“ ist hierbei zu verstehen, dass das dieses eine Dicke, also eine Ausdehnung in Substrat-Hochrichtung, aufweist, die wesentlich kleiner ist als die Ausdehnung in einer Richtung senkrecht hierzu. Beispielswiese beträgt die Dicke des Substrats zwischen 2 µm und 50 µm, insbesondere zwischen 5 µm und 20 µm, vorzugsweisezwischen 5 µm und 15 µm. Die Ausdehnung des Substrats in einer Richtung senkrecht hierzu beträgt dagegen mehrere Millimeter oder auch mehrere Zentimeter. Unter der ersten Seite des Substrats und unter einer zweiten Seite des Substrats sind hier und im Folgenden diejenigen Seiten zu verstehen, die senkrecht zur Substrat-Hochrichtung (Dickenrichtung) orientiert sind. Die erste und die zweite Seite des Substrats sind als diejenigen Flächen des Substrats mit der größten Fläche. Die erste und die parallel zu dieser verlaufende zweite (Substrat-)Seite bilden also jeweils eine Grundfläche des Substrats, auf welchen die erste Beschichtung bzw. die zweite Beschichtung aufgebracht ist.
Erfindungsgemäß weisen die erste Beschichtung und die zweite Beschichtung unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten für Lithium-Ionen auf.
Diejenige Beschichtung, welche die größere Diffusionsgeschwindigkeiten für Lithium-Ionen aufweist, ist besonders für eine Hoch-Leistungs-anwendung geeignet. So kann anhand dieser Beschichtung eine vergleichsweise hohe Leistungs- oder Stromdichte realisiert werden. Diejenige Beschichtung, welche die kleinere Diffusionsgeschwindigkeiten für Lithium-Ionen aufweist, ist besonders für eine Hoch-Energie-anwendung geeignet. So können anhand dieser Beschichtung zwar eine kleinere Stromdichte realisiert werden, allerdings kann anhand dieser eine vergleichsweise hohe Energiedichte realisiert werden. Zusammenfassend ist die Elektrode vorteilhaft sowohl für eine Hoch-Energie-Anwendung als auch für eine Hoch-Leistungs-Anwendung geeignet.
Beispielsweise weist Graphit einen Diffusionskoeffizienten zwischen 10^-8 cm²/s und 10^-9 cm²/s auf. Kathodenmaterialen mit einer Schichtstruktur aus einem Lithium-Übergangsmetalloxid wie beispielsweise LiMO₂, wobei M gleich Ni, Mn oder Co ist, weisen beispielsweise einen Diffusionskoeffizienten zwischen 10^-8 cm²/s und 10^-11 cm²/s auf.
Die erste und die zweite Beschichtung weisen zweckmäßigerweise Aktivmaterial, einen Binder sowie ein Leitmittel, wie beispielsweise Graphit oder Leitruß auf. Ist das Material der Beschichtung, also das Beschichtungsmaterial, ein Anodenmaterial, so ist das Aktivmaterial beispielsweise Graphit, Graphen, sogenannte Hard- oder Soft- Carbon-Nanotubes, oder Titanoxid, in welches bzw. aus welchem Lithium-Ionen interkalieren oder deinterkalieren können. Zusammenfassend wird eine solche Beschichtung als Anodenbeschichtung bezeichnet. Weiterhin kann das Aktivmaterial Silizium enthalten. Ist das Beschichtungsmaterial ein Kathodenmaterial, so ist das Aktivmaterial beispielsweise Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), ein Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), Lithiummanganoxid (LMO), Lithium-Mangan-Nickeloxid (LMNO), Lithium-Cobalt-Oxid (LCO), LiFeSO₄F, oder LiTiS₂. Zusammenfassend wird eine solche Beschichtung als Kathodenbeschichtung bezeichnet.
Gemäß einer zweckmäßiger Ausgestaltung weist die erste Beschichtung ein anderes Beschichtungsmaterial aufweist als die zweite Beschichtung. Mit anderen Worten ist das Beschichtungsmaterial der ersten Beschichtung unterschiedlich zum Beschichtungsmaterial der zweiten Beschichtung. Auf diese Weise kann die Diffusionsgeschwindigkeit der jeweiligen Beschichtung entsprechend eingestellt werden.
Beispielsweise umfassen das Beschichtungsmaterial der ersten Beschichtung und das Beschichtungsmaterial der zweiten Beschichtung die gleichen Aktivmaterialien, wobei allerdings das Verhältnis zwischen Aktivmaterial, Binder und Leitmittel unterschiedlich für die erste Beschichtung und für die zweite Beschichtung gewählt ist.
Alternativ oder zusätzlich hierzu ist für das Beschichtungsmaterial der ersten Beschichtung ein anderes Aktivmaterial verwendet als für das Beschichtungsmaterial der zweiten Beschichtung. Dabei ist das Beschichtungsmaterial der ersten Beschichtung sowie der zweiten Beschichtung ein Anodenmaterial, oder das Beschichtungsmaterial der ersten Beschichtung sowie der zweiten Beschichtung ist ein Kathodenmaterial. Beispielsweise wird für die zweite Beschichtung eine Aktivmaterial mit einer kleineren Partikelgröße, ein kleinerer Anteil an Binder, und/oder ein größerer Anteil an Leitmittel gewählt als für die zweite Beschichtung, oder umgekehrt.
Alternativ oder zusätzlich zur unterschiedlichen Wahl der Beschichtungsmaterialien weist die die erste Beschichtung eine größere Dichte und/oder kleinere größere Porosität auf als die zweite Beschichtung. Dabei geht eine größere Dichte bzw. eine kleinere Porosität mit einer kleineren Diffusionsgeschwindigkeit einher. Beispielsweise beträgt die Dichte der ersten Beschichtung zwischen 1,4 g/cm³ und 2,0 g/cm³ und die Dichte der zweiten Beschichtung zwischen 0,9 g/cm³ und 1,3 g/cm³, sofern die erste und die zweite Beschichtung eine Anodenbeschichtung ist. Ist die erste und die zweite Beschichtung eine Kathodenbeschichtung, so beträgt die Dichte der ersten Beschichtung beispielsweise zwischen 2,3 g/cm³ und 4,0 g/cm³, insbesondere zwischen 3,0 g/cm³ und 3,6 g/cm³ und die Dichte der zweiten Beschichtung zwischen 1,9 g/cm³ und 3,0 g/cm³, insbesondere zwischen 2,3 g/cm³ und 2,9 g/cm³.
Gemäß einer geeigneten Ausgestaltung weist die erste Beschichtung zusätzlich oder alternativ hierzu eine größere Schichtdicke auf als die zweite Beschichtung. Beispielsweise beträgt die Schichtdicke der ersten Beschichtung zwischen den 1,05 und dem 5-fachen, insbesondere zwischen dem 1,1-fachen und dem 3-fachen, geeigneter Weise zwischen dem 1,1-fachen und dem 1,5-fachen der Schichtdicke der zweite Beschichtung. Beispielsweise beträgt Schichtdicke der ersten Beschichtung zwischen 25 µm und 100 µm, geeigneter Weise zwischen 25 µm und 75 µm. Die Schichtdicke der zweiten Beschichtung beträgt beispielsweise zwischen 20 µm und 90 µm, geeigneter Weise zwischen 20 µm und 65 µm. Dabei ist eine Kapazität für die dickere Beschichtung erhöht, so dass diese besonders für Hoch-Energie-Anwendungen geeignet ist.
Gemäß einer geeigneten Weiterbildung ist die Elektrode als eine sogenannte Bipolarelektrode ausgebildet. Hierbei ist das Substrat auf der zweiten (Substrat-)Seite im ersten Abschnitt mit einer dritten Beschichtung und - ebenfalls auf der zweiten Seite - im zweiten Abschnitt mit einer vierten Beschichtung versehen. Dabei weisen die Beschichtungen auf einer der beiden Seiten des Substrats Anodenmaterial auf, während die Beschichtungen auf der anderen Seite des Substrats Kathodenmaterial aufweisen. Zusammenfassend sind auf der ersten Substratseite Kathodenbeschichtungen aufgetragen und auf der zweiten Substratseite Anodenbeschichtungen aufgetragen oder umgekehrt. Weiter zusammenfassend ist das Substrat zwischen der ersten und der dritten Beschichtung und zwischen der zweiten und der vierten Beschichtung angeordnet.
Dabei weisen dritte Beschichtung und die vierte Beschichtung unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten für Lithium-Ionen auf. Zweckmäßiger Weise weist dabei die dritte Beschichtung eine größere Diffusionsgeschwindigkeit für Lithium-Ionen als die vierte Beschichtung, sofern die erste Beschichtung eine größere Diffusionsgeschwindigkeit für Lithium-Ionen als die zweite Beschichtung aufweist. Andernfalls, also sofern die zweite Beschichtung eine größere Diffusionsgeschwindigkeit für Lithium-Ionen als die erste Beschichtung aufweist, weist die vierte Beschichtung zweckmäßig eine größere Diffusionsgeschwindigkeit für Lithium-Ionen als die dritte Beschichtung.
In analoger Weise zur ersten Beschichtung und zur zweiten Beschichtung weist die dritte Beschichtung eine größere Dichte und/oder eine kleinere Porosität auf als die vierte Beschichtung. Zusätzlich oder alternativ weist die dritte Beschichtung ein anderes Beschichtungsmaterial auf als die vierte Beschichtung, und/oder die dritte Beschichtung weist eine größere Schichtdicke auf als die vierte Beschichtung.
Beispielsweise weist die als Kathodenbeschichtung ausgebildete erste Beschichtung 96 gew.-% an NMC 811 und 4 gew.-% Leitruß und Binder auf. Die erste Beschichtung weist dabei eine Dichte von 3,6 g/cm³ (trocken) auf. Die ebenfalls als Kathodenbeschichtung ausgebildete zweite Beschichtung umfasst NMC 622 mit einem Anteil von 94 gew.-%, sowie 6 gew.-% an Leitruß und Binder. Die zweite Beschichtung weist dabei eine Dichte von 3,45 g/cm³ (trocken) auf. Beispielsweise weisen die erste und die zweite Beschichtung die gleiche Schichtdicke auf.
Weiter beispielsweise weist die als Anodenbeschichtung ausgebildete dritte Beschichtung 98 gew.-% an Graphit, insbesondere einer Mischung aus natürlichem und künstlichen Graphit, und 2 gew.-% Leitruß und Binder auf. Die dritte Beschichtung weist dabei eine Dichte von 1,9 g/cm³ (trocken) auf. Die ebenfalls als Anodenbeschichtung ausgebildete vierte Beschichtung umfasst eine Silizium-Graphit-Mischung, wobei hiervon der Anteil an Silizium 10 gew.-% beträgt. Die Silizium-Graphit-Mischung macht 96 gew.-% der vierten Beschichtung aus. 4 gew.-% der vierten Beschichtung bilden Leitruß und Binder. Die vierte Beschichtung weist dabei eine Dichte von 2,4 g/cm³ (trocken) auf. Beispielsweise weisen die dritte und die vierte Beschichtung die gleiche Schichtdicke auf.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine auch als Batteriezelle bezeichnete Lithium-Ionen-Batteriezelle, die mindestens zwei Elektroden, also zwei Elektroden oder mehr als zwei Elektroden, in einer der oben dargestellten Varianten aufweist. Zweckmäßigerweise sind die Elektroden übereinander angeordnet, insbesondere übereinander gestapelt.
Dabei weist bei einer ersten der Elektroden die auf einer der beiden Seiten des Substrats angeordneten Beschichtungen Anodenmaterial auf. Also sind diese Beschichtungen Anodenbeschichtungen. Bei einer zur ersten Elektrode benachbarten zweiten der Elektroden weisen die auf einer Seite des Substrats angeordneten Beschichtungen Kathodenmaterial auf. Also sind diese Beschichtungen Kathodenbeschichtungen. Des Weiteren liegen die Beschichtungen mit Anodenmaterial der ersten Elektrode den Beschichtungen mit Kathodenmaterial der zweiten Elektrode gegenüber.
Zweckmäßigerweise sind dabei die Elektroden derart angeordnet, dass diejenige Anodenbeschichtung der ersten Elektrode, die die größere Diffusionsgeschwindigkeit für Lithium-Ionen aufweist, derjenigen Kathodenbeschichtung der zweiten Elektrode gegenüberliegt, die die größere Diffusionsgeschwindigkeit für Lithium-Ionen aufweist. Auf diese Weise ist ein Elektrodenpaar gebildet, das für Hoch-Leistungs-Anwendungen und für Hoch-Energie-Anwendungen besonders geeignet ist.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Batteriezelle ist zwischen den Elektroden jeweils ein Separator angeordnet, wobei als Elektrolyt für die Batteriezelle eine Flüssigelektrolyt verwendet wird. Alternativ hierzu ist zwischen den Elektroden jeweils ein Festelektrolyt (engl. „solid electrolyte“) angeordnet, der insbesondere auch einen Separator bildet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Batteriezelle weist das Substrat von mindestens zwei Elektroden jeweils eine am ersten Abschnitt angeordnete Kontaktfahne auf. Diese Kontaktfahne ist insbesondere einteilig zusammenhängend, also monolithisch, mit dem ersten Abschnitt. Die Kontaktfahne dient der elektrischen Kontaktierung des Substrats mit einem Zellableiter oder mit einem elektrischen Stromkreis. Zusätzlich oder alternativ hierzu umfasst das Substrat von mindestens zwei Elektroden - beispielsweise diejenigen Elektroden, die ebenfalls die am ersten Abschnitt angeordneten Kontaktfahnen aufweisen, oder alternativ hierzu zwei weitere Elektroden, oder weiter Alternativ eine der Elektroden, die die am ersten Abschnitt eine Kontaktfahne aufweist, und eine weitere Elektrode -jeweils eine am zweiten Abschnitt angeordnete Kontaktfahne.
Bei der Ausgestaltung, bei der sowohl die Kontaktfahnen an den ersten Abschnitten als auch an den zweiten Abschnitten angeordnet sind, ist es vorteilhaft ermöglicht, dass die Batteriezelle sowohl für Hoch-Energie-Anwendungen als auch für Hoch-Leistungsanwendungen verwendet werden.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Interkalation der Lithium-Ionen in die jeweiligen Beschichtung bzw. eine Deinterkalation der Lithium-Ionen aus der jeweiligen Beschichtung im Bereich der Kontaktfahne mit einer höheren Rate erfolgt als in einem weiter von der Kontaktfahne entfernten Bereich der Beschichtung.
Werden bei Betrieb der Batteriezelle lediglich die an den ersten Abschnitten oder die an den zweiten Abschnitten angeordneten Kontaktfahnen verwendet - beispielsweise werden die jeweils anderen Kontaktfahnen anhand eines stromsperrend geschalteten Schalters von einem weiteren Batteriestromkreis weggeschaltet - werden also die Bereiche an den entsprechenden Kontaktfahnen bei der Erzeugung des elektrischen Stromes vergleichsweise stark für die Interkalation/Deinterkalation der Lithium-Ionen genutzt.
Somit erfolgt bei Verwendung lediglich der an den ersten Abschnitten angeordneten Kontaktfahnen die Interkalation/Deinterkalation der Lithium-Ionen in vergleichsweise hohem Maße bzw. mit vergleichsweise hoher Rate in den ersten Beschichtungen. Dementsprechend ist die Batteriezelle für Hoch-Energie-Anwendungen geeignet. Bei Verwendung lediglich der an den zweiten Abschnitten angeordneten Kontaktfahnen erfolgt die Interkalation/Deinterkalation der Lithium-Ionen entsprechend in vergleichsweise hohem Maße bzw. mit vergleichsweise hoher Rate in den zweiten Beschichtungen. Da die zweiten Beschichtungen eine im Vergleich zu den ersten Beschichtungen höhere Diffusionsgeschwindigkeit aufweisen, ist die Batteriezelle dementsprechend für Hoch-Leistungs-Anwendungen geeignet. Zusammenfassend ist je nachdem, welche der Kontaktfahnen bei Betrieb für Stromentnahme/Stromzufuhr verwendet werden, ein Hoch-Energie-Betrieb oder ein Hoch-Leistungs-Betrieb der Batteriezelle ermöglicht.
Sofern die Elektroden der Batteriezelle lediglich die Kontaktfahnen an den ersten oder alternativ hierzu lediglich an den zweiten Abschnitten aufweisen, was als gemeinsamer Abgriff bezeichnet wird, wird bei Betrieb der Batteriezelle stets eine entsprechende Misch-Stromdichte bzw. Misch-C-Rate realisiert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb einer solchen Lithium-Ionen-Batteriezelle. Verfahrensgemäß wird ein Strom durch die an den ersten Abschnitten angeordneten Kontaktfahnen und/oder ein Strom durch die an den zweiten Abschnitten angeordneten Kontaktfahnen, insbesondere in Abhängigkeit einer Stromanforderung an einen Zellenstrom, eingestellt.
Beispielsweise wird unter einer Stromanforderung an einen (Batterie-) Zellenstrom wird beispielsweise ein Soll-Wert für einen Strom, insbesondere dessen Stromstärke, verstanden, der von dieser Batteriezelle bereitgestellt oder dieser zugeführt werden soll. Insbesondere ist hierzu ein Schalter, geeigneter Weise ein Halbleiterschalter, in einen an die jeweilige Kontaktfahne angeschlossenen Strompfad geschaltet. Der jeweilige Schalter wird durch ein Steuergerät, beispielsweise einem Batterie-Steuergerät oder einem Zell-Management System gesteuert.
Beispielsweise ist ein Schwellenwert für die Stromanforderung vorgegeben. Insbesondere werden die Ströme durch das jeweilige Kontaktterminal derart eingestellt, dass wenn und solange die Stromanforderung größer oder gleich als der Schwellenwert ist, mit anderen Worten bei überschrittenem Schwellenwert, elektrischer Strom lediglich durch die an den zweiten Abschnitten angeordneten Kontaktfahnen fließt, und/oder bei unterschrittenem Schwellenwert elektrischer Strom lediglich durch die die an den ersten Abschnitten angeordneten Kontaktfahnen fließt.
Zusammenfassend ist es auf diese Weise vorteilhaft ermöglicht den Strom in bzw. von der Batteriezelle in vergleichsweise hohem Maße durch die Beschichtungen mit vergleichsweise hoher bzw. mit vergleichsweise niedriger Diffusionsgeschwindigkeit fließen zu lassen. Mit anderen Worten erfolgt eine verstärkte Nutzung bestimmter Beschichtungen der Elektroden bei Betrieb der Batteriezelle.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Elektrode in einer der oben dargestellten Varianten. Das Verfahren ist zweckmäßigerweise als ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren („roll-to-roll“) oder als ein Rolle-zu-Blatt-Verfahren („roll-to-sheet“) ausgebildet. Hierbei wird zunächst eine bandförmige Elektrodenfolie von einer Vorratsrolle abgewickelt, wobei diese als Substrat für die herzustellenden Elektroden herangezogen wird.
In einem ersten Schritt wird auf einer ersten Seite der Elektrodenfolie eine erste Beschichtung in einem ersten Bereich und eine zweite Beschichtung in einem zweiten Bereich aufgetragen. Beispielsweise erfolgt das Auftragen derart, dass die beiden Bereiche bzw. die beiden Beschichtungen in Bandlängsrichtung der Elektrodenfolie kontinuierlich und in Bandquerrichtung nebeneinander angeordnet sind. Alternativ hierzu wird die Elektrodenfolie intermittierend mit der ersten Beschichtung und mit der zweiten Beschichtung versehen. In diesem Fall alternieren also die mit der ersten Beschichtung versehenen Bereiche mit den mit der zweiten Beschichtung versehenen Bereiche in Bandlängsrichtung.
Sofern eine dritte und eine vierte Beschichtung für die Elektroden vorgesehen ist, wird die zweite Seite der Elektrodenfolie im ersten Bereich mit der dritten Beschichtung und im zweiten Bereich mit der vierten Beschichtung versehen. Dies erfolgt zweckmäßiger Weise zeitgleich mit dem Aufbringen der ersten und der zweiten Beschichtung.
Für das Aufbringen der Beschichtungen können aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren genutzt werden. Beispielsweise kann ein Nassbeschichtungsverfahren verwendet werden, bei dem für jede der Beschichtungen zunächst das Aktivmaterial sowie gegebenenfalls Additive wie Leitruß und Binder trocken durchmischt und anschließend in einem Lösungsmittel dispergiert und homogenisiert werden. Alternativ wird zunächst Leitruß und Aktivmaterial durchmischt und anschließend eine Binderlösung zur Dispergierung genutzt. Allenfalls werden die Lösungen für die Beschichtungen mittels jeweils einer Schlitzdüse auf das Substrat aufgetragen.
Sofern ein Nassbeschichtungsverfahren verwendet wird, erfolgt zweckmäßig zunächst eine Trocknung der Beschichtungen. Anschließend werden die Beschichtungen verdichtet (komprimiert). Hierzu wird zweckmäßiger Weise ein Kalander verwendet.
Verfahrensgemäß wird beim Auftragen der ersten Beschichtung mehr Beschichtungsmaterial, insbesondere bezogen auf eine Flächeneinheit, auf die Elektrodenfolie verwendet, als beim Auftragen der zweiten Beschichtung. Beispielsweise wird beim Auftragen der ersten Beschichtung das 1,2 fache, das 1,5-fache, das 2-fache, das 3-fache oder das 5-fache an Beschichtungsmaterial je Flächeneinheit aufgetragen als bei der zweiten Beschichtung. Dies resultiert in einer größeren Dichte und/oder in einer kleineren Porosität der ersten Beschichtung im Vergleich zur zweiten Beschichtung nach dem Komprimierungsvorgang.
Ist die Beschichtung eine Anodenbeschichtung, so wird beispielsweise für die Beschichtung mit der kleineren Diffusionsgeschwindigkeit zwischen 250 g/m² und 350 g/m², insbesondere zwischen 280 g/m²und 320 g/m², an Beschichtungsmaterial aufgetragen. Für die Beschichtung für die Beschichtung mit der größeren Diffusionsgeschwindigkeit wird beispielsweise zwischen 100 g/m² und 200 g/m², insbesondere zwischen 120 g/m² und 150 g/m² an Beschichtungsmaterial aufgetragen.
Ist die Beschichtung eine Kathodenbeschichtung, so wird für die für die Beschichtung mit der kleineren Diffusionsgeschwindigkeit beispielsweise zwischen 400 g/m² und 600 g/m², insbesondere zwischen 450 g/m²und 520 g/m², an Beschichtungsmaterial aufgetragen beträgt. Für die Beschichtung mit der größeren Diffusionsgeschwindigkeit wird beispielsweise zwischen 150 g/m² und 280 g/m², insbesondere zwischen 200 g/m² und 250 g/m² an Beschichtungsmaterial aufgetragen.
Zusätzlich oder alternativ hierzu wird beim Auftragen der ersten Beschichtung ein anderes Material verwendet wird als beim Auftragen der zweiten Beschichtung.
Sofern für die erste und die zweite Beschichtung unterschiedliche Schichtdicken vorgesehen sind, wird auf die Beschichtung, die die größere Schichtdicke aufweisen soll, erneut Beschichtungsmaterial aufgetragen, dieses gegebenenfalls getrocknet und komprimiert.
Abschließend wird die bandförmige und beschichtete Elektrodenfolie auf eine weitere Vorratsrolle aufgewickelt (Rolle-zu-Rolle-Verfahren). Alternativ werden bei einem Rolle-zu-Blatt Verfahren die Elektroden aus der Elektrodenfolie herausgetrennt, insbesondere ausgeschnitten und/oder ausgestanzt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, dessen Traktionsbatterie zumindest eine Lithium-Ionen-Batteriezelle in einer der oben dargestellten Varianten umfasst. Zweckmäßiger Weise umfasst die Traktionsbatterie mehrere solcher Lithium-lonen-Batteriezellen, wobei diese in Serie und/oder parallel zueinander verschaltet sind. Weiterhin ist die Batteriezelle bzw. sind die Batteriezellen gemäß dem oben dargestellten Betriebsverfahren betrieben.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1a schematisch eine Elektrode in Seitenansicht, wobei deren Substrat auf einer ersten Seite in einem ersten Abschnitt eine erste Beschichtung und in einem zweiten Abschnitt eine zweite Beschichtung aufgebracht ist,
1b schematisch eine alternative Ausgestaltung der Elektrode in Seitenansicht, wobei deren erste Beschichtung und deren zweite Beschichtung unterschiedliche Schichtdicken aufweisen,
1c schematisch die Elektrode gemäß der 1a, wobei auf einer zweiten Seite deren Substrats eine dritte Beschichtung und eine vierte Beschichtung aufgebracht ist,
1d schematisch die Elektrode gemäß der 1b, wobei auf der zweiten Seite deren Substrats eine dritte Beschichtung und eine vierte Beschichtung aufgebracht ist, wobei die dritte und die vierte Beschichtung unterschiedliche Schichtdicken aufweisen,
2 schematisch in einer Draufsicht die Elektrode gemäß eine der Varianten der 1a bis 1d, wobei deren Substrat eine am ersten Abschnitt angeordnete Kontaktfahne sowie eine am zweiten Abschnitt angeordnete Kontaktfahne aufweist,
3 schematisch miteinander verschaltete Lithium-Ionen-Batteriezellen, wobei jede der Lithium-Ionen-Batteriezellen eine erste Elektrode, deren erste Beschichtung und deren zweite Beschichtung eine Anodenbeschichtung ist, sowie eine zweite Elektrode aufweist, deren erste Beschichtung und deren zweite Beschichtung eine Kathodenbeschichtung ist,
4 schematisch eine alternative Ausgestaltung der Batteriezelle, wobei deren Elektroden als Bipolarelektroden ausgebildet sind, und
5 eine bandförmige Elektrodenfolie, welche in einem ersten Bereich mit der ersten Beschichtung und in einem zweiten Bereich mit der zweiten Beschichtung versehen wird.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der 1a ist schematisch eine Elektrode 2 dargestellt. Diese umfasst ein folienartiges Substrat 4, beispielsweise eine Metallfolie, wobei die Blickrichtung in der 1 parallel zu einer von dem Substrat 4 aufgespannten Ebene orientiert ist. Die Substrat-Hochrichtung (Dickenrichtung, die Substrat-Längsrichtung und die Substrat-Breitenrichtung sind in einem nebenstehenden Richtungsdiagramm mit den Bezugszeichen „H“, „L“ bzw. „B“ versehen.
Das Substrat 4 ist auf einer ersten Seite 6 in einem ersten (Substrat-)Abschnitt 10 mit einer ersten Beschichtung 14 versehen. In einem zweiten (Substrat-)Abschnitt 12, welcher in Substrat-Längsrichtung L neben dem ersten Abschnitt 10 angeordnet ist, ist mit einer zweiten Beschichtung 16 versehen.
Die Dichte ρ_B1 der ersten Beschichtung 14 ist größer als die Dichte ρ_B2 der zweiten Beschichtung 16 und eine Porosität der ersten Beschichtung 14 kleiner als die Porosität der zweiten Beschichtung 16. Zusammengefasst gilt: ρ_B1 > ρ_B2. Des Weiteren ist das Beschichtungsmaterial der ersten Beschichtung 14 unterschiedlich zum Beschichtungsmaterial der zweiten Beschichtung 16. Hierbei umfasst das jeweilige Beschichtungsmaterial ein Aktivmaterial, ein Leitmittel und einen Binder. Zur Unterschiedlichen Ausgestaltung der Beschichtungsmaterialien der ersten und der zweiten Beschichtung sind die Anteile zwischen Aktivmaterial, Leitmittel und Binder für die erste Beschichtung anders gewählt als diese Anteile für die zweite Beschichtung. Zusätzlich hierzu wird ein anderes Aktivmaterial verwendet.
Gemäß einer nicht weiter dargestellten Ausführungsvariante ist das Material der ersten und der zweiten Beschichtung gleich, wobei diese unterschiedlich dichten aufweisen, also unterschiedlich stark komprimiert sind. Gemäß einer nicht weiter dargestellten Ausführungsvariante weisen die erste Beschichtung 14 und die zweite Beschichtung 16 die gleiche Dichte auf, wobei allerdings ist lediglich die Beschichtungsmaterialien der beiden Beschichtungen 14 und 16 unterschiedlich sind.
Allenfalls ist die erste sowie die zweite Beschichtung 14, 16 jeweils eine Anodenbeschichtung, also eine Beschichtung, die Anodenmaterial aufweist. Alternativ ist die erste sowie die zweite Beschichtung eine Kathodenbeschichtung. Also sind auf der ersten Seite 6 des Substrats 4 lediglich Anodenbeschichtungen oder lediglich Kathodenbeschichtungen aufgebracht.
Die in der 1b gezeigte Elektrode 2 unterscheidet sich von der Elektrode 2 gemäß der 1a dadurch, dass die Schichtdicke d_B1, also die Ausdehnung in Substrat-Hochrichtung H, der ersten Beschichtung 14 größer ist als die Schichtdicke d_B2 der zweiten Beschichtung 16. Also gilt: d_B1 > d_B2. Beispielsweise beträgt die Schichtdicke d_B1 der ersten Beschichtung 14 zwischen den 1,2 und dem 5-fachen, insbesondere zwischen dem 1,2-fachen und dem 3-fachen, geeigneter Weise zwischen dem 1,2-fachen und dem 2-fachen der Schichtdicke d_B2 der zweiten Beschichtung 16.Ggeeigneter Weise beträgt die Schichtdicke d_B1 zwischen 60 µm und 75 µm. Die Schichtdicke d_B2 der zweiten Beschichtung 16 beträgt geeigneter Weise zwischen 28 µm und 40 µm.
Zusammenfassend unterscheidet sich bei den Elektrode 2 gemäß den 1a und 1b die Diffusionsgeschwindigkeit für Lithium-Ionen für die erste Beschichtung 14 zur Diffusionsgeschwindigkeit für Lithium-Ionen für die zweite Beschichtung 16 aufgrund der unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien sowie anhand der unterschiedlichen Dichten. Wie insbesondere im Zusammenhang mit den Batteriezellen der 3 und 4 dargestellt wird, sind derartige Elektroden 2 vorteilhaft sowohl für eine Hoch-Energie-Anwendungen als auch für Hoch-Leistungs-Anwendungen geeignet. Die erste Beschichtung 14 ist dabei aufgrund der vergleichsweise großen Schichtdicke d_B1 besonders für eine Hoch-Energie-Anwendung geeignet. Geeigneter Weise sind die Diffusionsgeschwindigkeiten dabei derart gewählt, dass die erste Beschichtung 14 eine kleinere Diffusionsgeschwindigkeit aufweist als die zweite Beschichtung 16. Zusammenfassend ist die erste Beschichtung 14 aufgrund dessen besonders für Hoch-Energie-Anwendungen und die zweite Beschichtung 16 besonders für Hoch-Leistungs-Anwendungen geeignet.
Die in der 1c dargestellte Elektrode 2 entspricht der Elektrode der 1a, wobei das Substrat 4 auf dessen zweiten (Substrat-)Seite 8 im ersten Abschnitt 10 mit einer dritten Beschichtung 20 und im zweiten Abschnitt 12 mit einer vierten Beschichtung 22 versehen ist, welche die gleiche Schichtdicke aufweist wie die dritte Beschichtung 20, also gilt: d_B3 = d_B4.
Die in der 1d dargestellte Elektrode 2 entspricht der Elektrode der 1b, wobei das Substrat 4 auf dessen zweiten (Substrat-)Seite 8 im ersten Abschnitt 10 mit einer dritten Beschichtung 20 und im zweiten Abschnitt 12 mit einer vierten Beschichtung 22 versehen ist, und wobei die Schichtdicke d_B3 der dritten Beschichtung 20 größer ist als die Schichtdicke der vierten Beschichtung, also gilt: d_B3 > d_B4.
In analoger Weise zu den Beschichtungen 14 und 16 weisen bei den Elektroden der 1c und 1d die dritte Beschichtung 20 eine kleinere Diffusionsgeschwindigkeit für Lithium-Ionen auf, al die vierte Beschichtung 22. Die dritte Beschichtung 20 ist aufgrund dessen besonders für Hoch-Energie-Anwendungen und die vierte Beschichtung 22 besonders für Hoch-Leistungs-Anwendungen geeignet.
Die dritte sowie die vierte Beschichtung 20, 22 ist jeweils eine Anodenbeschichtung, sofern die erste und die zweite Beschichtung 14, 16 Kathodenbeschichtungen sind. Alternativ ist die dritte sowie die vierte Beschichtung 20, 22 eine Kathodenbeschichtung, sofern die erste und die zweite Beschichtung 14, 16 Anodenbeschichtungen sind. Zusammenfassend sind die Elektroden El gemäß den 1c und 1d als Bipolarelektroden ausgebildet.
In der 2 ist eine Variante der Elektrode 2 gemäß einer der 1a bis 1d dargestellt. Hierbei umfasst das Substrat 4 einen erste Kontaktfahne 24 auf, welcher am ersten Abschnitt 10 angeordnet ist, der mit der ersten Beschichtung 14 versehen ist. Weiterhin umfasst das Substrat 4 eine zweite Kontaktfahne 26. Die Kontaktfahnen 24, 26, sind randseitig, also außenseitig, am Substrat 4 angeordnet, wobei die Kontaktfahnen bevorzugt unbeschichtet sind. Diese dienen insbesondere der elektrischen Kontaktierung mit einem nicht weiter dargestellten Batteriestromkreis.
Gemäß einer nicht weiter dargestellten Variante umfasst das Substrat 4 lediglich die erste Kontaktfahne 24. Gemäß einer weiteren nicht dargestellten Variante umfasst das Substrat 4 lediglich die zweite Kontaktfahne 26.
In der 3 sind schematisch miteinander verschaltete (Lithium-Ionen-)Batteriezellen 28 dargestellt. Beispielhaft sind lediglich drei Lithium-Ionen-Batteriezellen 28a,28b,28c dargestellt. Diese werden zusammenfassend auch als Batteriezellen 28 bezeichnet. Jede der (Lithium-Ionen-)Batteriezellen 28 umfasst eine erste Elektrode 2a, deren Substrat 4 auf der ersten Seite 6 mit der ersten Beschichtung 14 und mit der zweiten Beschichtung 16 versehen ist, wobei die erste Beschichtung 14 und die zweite Beschichtung 16 jeweils eine Anodenbeschichtung ist. Weiterhin umfasst die Batteriezelle 28 eine zweite Elektrode 2b, deren Substrat 4 auf der ersten Seite 6 mit der ersten Beschichtung 14 und mit der zweiten Beschichtung 16 versehen ist, wobei die erste Beschichtung 14 und die zweite Beschichtung 16 jeweils eine Kathodenbeschichtung ist.
Die ersten Beschichtungen 14 der ersten und der zweiten Elektrode 2a, 2b liegen einander gegenüber. Die zweiten Beschichtungen 16 der ersten und der zweiten Elektrode 2a, 2b liegen einander gegenüber. Dabei weist bei den Elektroden 2a, 2b jeweils die zweite Beschichtung 16 eine größere Diffusionsgeschwindigkeit für Lithium-Ionen auf als die zweite Beschichtung 16.
Zwischen der ersten Elektrode 2a und der zweiten Elektrode 2b der jeweiligen Batteriezelle 28 ist ein Separator 30 angeordnet. Jede Batteriezelle 28 umfasst des Weiteren eine Hülle 31, insbesondere aus einem Folienverbund, insbesondere Kunststofffolienverbund, in welche die Elektroden 2a, 2b, der Separator 30 und ein Flüssigelektrolyt eingebracht ist.
Die Batteriezellen 28 sind in Serie miteinander geschaltet. Hierzu ist das Substrat 4 der zweiten Elektrode 2b der hinsichtlich der Serienschaltung ersten Batteriezelle 28a anhand eines Leiters 32 mit dem Substrat 4 der ersten Elektrode 2a der hinsichtlich der Serienschaltung zweiten Batteriezelle 28b elektrisch verbunden. Insbesondere ist deren beiden ersten Kontaktfahnen 24 und/oder deren beiden Kontaktfahnen 26 miteinander elektrisch verbunden. Analog hierzu ist das das Substrat 4 der zweiten Elektrode 2b der zweiten Batteriezelle 28b anhand eines Leiters 32 mit dem Substrat 4 der ersten Elektrode 2a der hinsichtlich der Serienschaltung dritten Batteriezelle 28c elektrisch verbunden. Die erste Elektrode 2a der ersten Batteriezelle 28a und die zweite Elektrode 2b der dritten Batteriezelle 28c sind anhand deren ersten Kontaktfahne 24 mittels eines jeweiligen Schalters 34 mit ersten Zellanschlüssen 36 elektrisch verbunden. Zudem erste Elektrode 2 1 der ersten Batteriezelle 28a und die zweite Elektrode 2b der dritten Batteriezelle 28c anhand deren zweiten Kontaktfahne 26 mittels eines jeweiligen Schalters 34 mit zweiten Zellanschlüssen 38 elektrisch verbunden.
Die Schalter 34 sind zweckmäßigerweise als Halbleiterschalter ausgebildet. Allenfalls sind diese anhand eines Steuergeräts 40 ansteuerbar, also stromleitend und stromsperrend schaltbar.
Bei Betrieb der Batteriezellen 28 wird ein Strom I₁ durch die erste Kontaktahne 24 der ersten Elektrode 2a der ersten Batteriezelle 28a und durch die erste Kontaktfahne 24 der zweiten Elektrode 2b der dritten Batteriezelle 28c, sowie ein Strom I₂ durch die zweite Kontaktahne 26 der ersten Elektrode 2a der ersten Batteriezelle 28a und durch die zweite Kontaktfahne 26 der zweiten Elektrode 2b der dritten Batteriezelle 28c in Abhängigkeit einer Stromanforderung A_I an einen Batteriestrom oder an einen Zellenstrom eingestellt. Die Stromanforderungen A_I wird dem Steuergerät 40 zugeführt oder wird von diesem bestimmt.
Dabei ist ein Schwellenwert S für die Stromanforderung A_I vorgegeben. Dieser wird dem Steuergerät 40 zugeführt oder ist in dessen Speicher (nicht dargestellt) hinterlegt. Die Ströme I₁ und I₂ werden beispielweise derart eingestellt, dass wenn und solange die Stromanforderung A_I größer oder gleich als der Schwellenwert S ist lediglich der Strom I₂ fließt, und I₁ gleich Null ist, und dass bei unterschrittenem Schwellenwert S lediglich der Strom I₁ fließt, wobei I₂ gleich Null ist. Hierzu werden die Schalter 34 entsprechend stromsperrend bzw. stromleitend vom Steuergerät 40 angesteuert.
Werden bei Betrieb. der Batteriezellen 28 die mit den ersten Kontaktfahnen 24 verbundenen Schalter stromsperrend geschaltet, so dass lediglich der Strom I₂ fließt, erfolgt die Interkalation/Deinterkalation der Lithium-Ionen verstärkt in denjenigen Bereichen der ersten und der zweiten Beschichtung 14, 16, die an die jeweilige zweite Kontaktfahnen 26 angrenzen, hier also in der zweiten Beschichtung 16. Da die zweiten Beschichtungen 16 eine vergleichsweise hohe Diffusionsgeschwindigkeit für Lithium-Ionen aufweisen, ist es somit ermöglicht, gezielt eine vergleichsweise hohe Stromstärke bei Hoch-Leistungs-Anwendungen zu realisieren.
Werden - analog hierzu - bei Betrieb der Batteriezellen 28 die mit den zweiten Kontaktfahnen 26 verbundenen Schalter stromsperrend geschaltet, so dass lediglich der Strom I₁ fließt, erfolgt die Interkalation/Deinterkalation der Lithium-Ionen verstärkt in denjenigen Bereichen der ersten und der zweiten Beschichtung 14, 16, die an die jeweilige erste Kontaktfahnen 24 angrenzen, hier also in der ersten Beschichtung 14. Da mittels den ersten Beschichtungen 14 eine vergleichsweise große Kapazität realisiert ist, können somit diese Bereiche für Hoch-Energie-Anwendungen verstärkt genutzt werden.
In der 4 ist eine alternative Ausgestaltung der Batteriezelle 28 dargestellt. Die umfasst mehrere übereinander gestapelte und als Bipolarelektroden ausgebildete Elektroden 2 gemäß der 1c (oder in nicht weiter dargestellter Weise gemäß der 1d). Dabei ist die als Kathodenbeschichtung ausgebildete erste Beschichtung 14 einer Elektrode 2 der als Anodenbeschichtungen ausgebildeten dritten Beschichtung 14 der jeweils benachbarten Elektrode 2 zugewandt. Zudem ist sind die als Kathodenbeschichtungen ausgebildete zweite Beschichtung 16 einer Elektrode 2 der als Anodenbeschichtungen ausgebildeten vierten Beschichtung 16 der jeweils benachbarten Elektrode 2 zugewandt.
Zudem sind jeweils zwischen zwei der Elektroden 2 ein Festelektrolyt 42 angeordnet. Gemäß einer nicht weiter dargestellten Alternative ist jeweils zwischen zwei der Elektroden 2 ein Separator angeordnet und in der Batteriezelle 28 ein Flüssigelektrolyt verwendet.
Die Substrate 4 von zwei Elektroden 2, bei der Ausführung gemäß der 4 die Substrate 4 der im Elektrodenstapel hinsichtlich einer Stapelhochrichtung S_H ersten und letzten Elektrode 2, weisen an deren ersten Abschnitten 10 angeordnete erste Kontaktfahnen 24 auf. Zusätzlich umfassen die Substrate 4 von zwei Elektroden 2 jeweils eine an deren zweiten Abschnitt 12 angeordnete zweite Kontaktfahne 26.
Gemäß dem in der 4 gezeigten Beispiel weist die in Stapelhochrichtung S_H zweite und die letzte Elektrode 2 die zweiten Kontaktfahnen 26 auf. Gemäß nicht weiter dargestellten Ausführungsformen weisen diejenigen Elektroden 2, die die ersten Kontaktfahnen 24 aufweisen, auch die zweiten Kontaktfahnen 26 auf. Alternativ hierzu weisen zwei Elektroden 2, die keine erste Kontaktfahnen 24 aufweisen, die zweiten Kontaktfahnen 26 auf.
Die ersten Kontaktfahnen 24 sind mittels eines jeweiligen Schalters 34 mit ersten Zellanschlüssen 36 elektrisch verbunden. Die zweiten Kontaktfahnen 26 sind mittels eines jeweiligen Schalters 34 mit zweiten Zellanschlüssen 38 elektrisch verbunden.
In Analogie zum Betrieb der Batteriezellen 28 gemäß der 3 wird bei Betrieb Batteriezelle 28 ein Strom I₁ durch die ersten Kontaktahnen 24, sowie ein Strom I₂ durch die zweiten Kontaktahnen 26 in Abhängigkeit der Stromanforderung A_I an einen Zellenstrom eingestellt. Die Stromanforderungen A_I wird dem Steuergerät 40 zugeführt oder wird von diesem bestimmt.
Dem Steuergerät 40 ist der Schwellenwert S für die Stromanforderung A_I vorgegeben oder dieser ist dort in einem Speicher hinterlegt. Die Ströme I₁ und I₂ werden beispielsweise derart eingestellt, dass wenn und solange die Stromanforderung A_I größer oder gleich als der Schwellenwert S ist lediglich der Strom I₂ fließt, und I₁ gleich Null ist, und dass bei unterschrittenem Schwellenwert S lediglich der Strom I₁ fließt, wobei I₂ gleich Null ist. Hierzu werden die Schalter 34 entsprechend stromsperrend bzw. stromleitend vom Steuergerät 40 angesteuert.
Werden bei Betrieb der Batteriezelle 28 die mit den ersten Kontaktfahnen 24 verbundenen Schalter stromsperrend geschaltet, so dass lediglich der Strom I₂ fließt, ist - in Analogie zum Betrieb der Batteriezellen 28 gemäß der 3 - gezielt eine vergleichsweise hohe Stromstärke bei Hoch-Leistungs-Anwendungen realisierbar.
Werden - bei Betrieb der der Batteriezellen 28 die mit den zweiten Kontaktfahnen 26 verbundenen Schalter stromsperrend geschaltet, so dass lediglich der Strom I₁ fließt, können in Analogie zum Betrieb der Batteriezellen 28 gemäß der 3 - die Bereiche der ersten Beschichtungen 14 für Hoch-Energie-Anwendungen verstärkt genutzt werden.
In der 5 ist ausschnittsweise eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode gemäß einer der 1a bis 1d dargestellt. Bei der Herstellung wird eine bandförmige Elektrodenfolie 44 von einer (nicht weiter dargestellten) Vorratsrolle abgewickelt und anhand einer Umlenkrolle 46 einer Beschichtungseinrichtung 48 zugeführt. Die Beschichtungseinrichtung 48 umfasst zwei Schlitzdüsen 50 und 52, die in einer Bandquerrichtung Q, also senkrecht zur in Förderrichtung orientierten Bandlängsrichtung T, nebeneinander angeordnet sind. Anhand der Schlitzdüse 50 wird auf einer ersten Seite 54 der Elektrodenfolie 44 die erste Beschichtung 14 in einem ersten Bereich 58 und anhand der zweiten Schlitzdüse 52 die zweite Beschichtung 16 in einem zweiten Bereich 60 aufgetragen. Dabei wird anhand der ersten Schlitzdüse 50 ein anderes Beschichtungsmaterial aufgetragen als anhand der zweiten Schlitzdüse, und/oder es wird anhand der ersten Schlitzdüse 50 mehr Beschichtungsmaterial je Flächeneinheit aufgetragen als mit der zweiten Schlitzdüse 52.
Sofern eine dritte und eine vierte Beschichtung 20 und 22 für die Elektrode 2 vorgesehen ist, wird auf der zweiten Seite 56 der Elektrodenfolie 44 in analoger Weise die dritte und die vierte Beschichtung anhand einer dritten und einer vierten Schlitzdüse aufgebracht (nicht dargestellt).
Anschließend werden die Beschichtungen 14, 16 und ggf. 20, 22 getrocknet und, beispielsweise anhand eines Kalanders komprimiert.
Sofern für die erste Beschichtung 14 eine größere Schichtdicke d_B1 vorgesehen ist als für die zweite Beschichtung 16 und ggf. sofern für die dritte Beschichtung 20 eine größere Schichtdicke d_B3 vorgesehen ist als für die vierte Beschichtung 22, wird auf die erste Beschichtung 14 und ggf. auf die dritte Beschichtung 20, erneut Beschichtungsmaterial aufgetragen, dieses getrocknet und komprimiert.
Abschließend wird die bandförmige und beschichtete Elektrodenfolie 44 auf eine weitere Vorratsrolle aufgewickelt (Rolle-zu-Rolle-Verfahren). Alternativ werden bei einem Rolle-zu-Blatt Verfahren die Elektroden 2 aus der Elektrodenfolie 44 herausgetrennt.
Die Batteriezellen 28 gemäß der 3 und/oder der 4 sind beispielsweise diejenigen einer Traktionsbatterie eines (nicht weiter dargestellten) elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2,2a,2b: Elektrode
4: Substrat
6: erste Seite des Substrats
8: zweite Seite des Substrats
10: erster Abschnitt
12: zweiter Abschnitt
14: erste Beschichtung
16: zweite Beschichtung
20: dritte Beschichtung
22: vierte Beschichtung
24, 26: Kontaktfahne
28,28a,28b,28c: (Lithium-Ionen- )Batteriezelle
30: Separator
31: Hülle
32: Leiter
34: Schalter
36, 38: Zellenanschluss
40: Steuergerät
42: Festelektrolyt
44: Elektrodenfolie
46: Umlenkrolle
48: Beschichtungseinrichtung
50: erste Schlitzdüse
52: zweite Schlitzdüse
54: erste Seite der Elektrodenfolie
56: zweite Seite der Elektrodenfolie
58: erster Bereich der Elektrodenfolie
60: zweiter Bereich der Elektrodenfolie
I1: elektrischer Strom
I2: elektrischer Strom
B: Breitenrichtung
H: Hochrichtung
L: Längsrichtung
SH: Stapelhochrichtung
T: Bandlängsrichtung
Q: Bandquerrichtung

Claims

Elektrode (2) für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (28), aufweisend - ein folienartiges Substrat (4) mit einem ersten Abschnitt (10) und mit einem zweiten Abschnitt (12), - wobei das Substrat (4) auf dessen ersten Seite (6) im ersten Abschnitt (10) mit einer ersten Beschichtung (14) versehen ist, - wobei das Substrat (4) auf der ersten Seite (6) im zweiten Abschnitt (12) mit einer zweiten Beschichtung (16) versehen ist, und - wobei die erste Beschichtung (14) und die zweite Beschichtung (16) unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten für Lithium-Ionen aufweisen.
Elektrode (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung (14) eine größere Dichte aufweist als die zweite Beschichtung (16), und/oder wobei die erste Beschichtung (14) ein anderes Beschichtungsmaterial aufweist als die zweite Beschichtung (16).
Elektrode (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung (14) eine größere Schichtdicke aufweist als die zweite Beschichtung (16).
Elektrode (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, - dass das Substrat auf einer zweiten Seite (8) im ersten Abschnitt (10) mit einer dritten Beschichtung (20) versehen ist, - wobei das Substrat (4) auf der zweiten Seite (8) im zweiten Abschnitt (12) mit einer vierten Beschichtung (22) versehen ist, - wobei die dritte Beschichtung (20) und die vierte Beschichtung (22) unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten für Lithium-Ionen aufweisen, und - wobei die Beschichtungen (14, 16, 20, 22) auf einer der beiden Seiten (6, 8) des Substrats (4) Anodenmaterial aufweisen, und wobei die Beschichtungen (14, 16, 20, 22) auf der anderen Seite (6, 8) des Substrats (4) Kathodenmaterial aufweisen
Lithium-Ionen-Batteriezelle (28) mit mindestens zwei Elektroden (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, - wobei bei einer ersten der Elektroden (2, 2a) die Beschichtungen (14, 16, 20, 22) auf einer der beiden Seiten (6, 8) des Substrats (4) Anodenmaterial aufweisen, - wobei bei einer zur ersten Elektrode (2, 2a) benachbarten zweiten der Elektroden (2,2b) die Beschichtungen (14, 16, 20, 22) auf einer Seite (6, 8) des Substrats (4) Kathodenmaterial aufweisen, und - wobei die Beschichtungen mit Anodenmaterial der ersten Elektrode (2, 2a) den Beschichtungen (14,16, 20, 22) mit Kathodenmaterial der zweiten Elektrode (2, 2b) gegenüberliegen.
Lithium-Ionen-Batteriezelle (28) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Festelektrolyt oder ein Separator (30) zwischen den Elektroden (2) angeordnet ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle (28) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (4) von mindestens zwei Elektroden (2) jeweils eine am ersten Abschnitt angeordnete Kontaktfahne (24) aufweisen und/oder dass das Substrat (4) von mindestens zwei Elektroden (2) jeweils eine am zweiten Abschnitt (12) angeordnete Kontaktfahne (26) aufweisen.
Verfahren zum Betrieb einer Lithium-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 7, wobei ein Strom (I₁) durch die an den ersten Abschnitten (10) angeordneten Kontaktfahnen (24) und/oder ein Strom (I₂) durch die an den zweiten Abschnitten (12) angeordneten Kontaktfahnen (26), insbesondere in Abhängigkeit einer Stromanforderung (A_I) an einen Zellenstrom, eingestellt wird.
Verfahren zu Herstellung einer Elektrode Verfahren zu Herstellung einer Elektrode (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, insbesondere ausgebildet als Rolle-zu-Rolle-Verfahren, - wobei auf einer ersten Seite (54) einer bandförmigen Elektrodenfolie (44) als Substrat eine erste Beschichtung (14) in einem ersten Bereich (58) aufgetragen wird, - wobei auf der ersten Seite (54) der bandförmigen Elektrodenfolie (44) eine zweite Beschichtung (14) in einem zweiten Bereich (60) aufgetragen wird, - wobei beim Auftragen der ersten Beschichtung (14) mehr Beschichtungsmaterial auf die Elektrodenfolie (44) aufgetragen wird als beim Auftragen der zweiten Beschichtung (16), und/oder wobei beim Auftragen der ersten Beschichtung (14) ein anderes Material verwendet wird als beim Auftragen der zweiten Beschichtung (16).
Elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, dessen Traktionsbatterie mindestens eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (28) nach einem der Ansprüche 5 bis 7 aufweist.