DE102021211933A1

DE102021211933A1 - Separator für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle

Info

Publication number: DE102021211933A1
Application number: DE102021211933.6A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2023-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Separator (2) für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (4). Dieser umfasst zwei elektrisch isolierende Schichten (8), und eine zwischen den beiden elektrisch isolierenden Schichten (8) angeordnete elektrisch leitende Schicht (6), wobei die elektrisch leitende Schicht (6) aus einem Polymer gebildet ist, in welches elektrisch leitfähige Partikel eingebracht sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren und eine Vorrichtung (40) zur Herstellung eines solchen Separators (2), eine Batteriezelle (4) mit einem solchen Separator (2) sowie eine Verfahren zu deren Betrieb.

Description

Die Erfindung betrifft einen Separator für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung eines solchen Separators und eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem solchen Separator.
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.
Eine solche, als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildete Traktionsbatterie umfasst eine Anzahl an miteinander verschalteten Lithium-Ionen-Batteriezellen (Li-Ionen-Batteriezellen). Jede der Lithium-Ionen-Batteriezellen weist dabei mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode auf, wobei jeweils ein Separator zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist.
Bei Betrieb der Batteriezelle, insbesondere bei einem Ladevorgang, können sich sogenannte Dendrite aus Lithium auf der Anode bilden. Diese können den Separator durchdringen und die Kathode kontaktieren. Es besteht also aufgrund einer Dendrit-Bildung die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen der Anode und der Kathode und damit einhergehend die Gefahr einer Erhitzung der Batteriezelle. Weiterhin kann ein Grat bzw. eine scharfe Kante der Anode oder der Kathode, insbesondere deren Aktivmaterials, den Separator durchdringen, was ebenfalls in einem Kurzschluss resultieren kann. Ein solcher Grat resultiert dabei beispielsweise bei einem Laserschneidprozess im Zuge der Herstellung der jeweiligen Anode oder Kathode.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Separator anzugeben. Insbesondere soll anhand dessen ein solches Durchdringen des Separators - vorzugsweise sowohl von der Anodenseite als auch von der Kathodenseite - erfassbar sein. Des Weiteren sollen Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines solchen Separators, eine Batteriezelle mit einem solchen Separator sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Batteriezelle angegeben werden.
Bezüglich des Separators wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich der Verfahren wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 4 bzw. des Anspruch 7 und hinsichtlich der Vorrichtung zur Herstellung des Separators mit den Merkmalen des Anspruchs 6 erfindungsgemäß gelöst. Bezüglich der Batteriezelle wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und bezüglich des Verfahrens zum Betrieb der Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Separator ist für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem flüssigen Elektrolyt (Flüssigelektrolyt) vorgesehen und eingerichtet. Der Separator weist zwei, zweckmäßigerweise folienförmige, elektrisch isolierende (also elektrisch nicht leitfähige) Schichten auf, wobei zwischen diesen beiden Schichten eine elektrisch leitende (elektrisch leitfähige) Schicht angeordnet ist, welche zweckmäßiger Weise ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist beidseitig der elektrisch leitfähigen Schicht jeweils eine der elektrisch isolierenden Schichten angeordnet. Zusammenfassend ist anhand der elektrisch leitfähigen Schicht und den elektrisch isolierenden Schichten eine Schichtstruktur gebildet. Dabei bilden die elektrisch isolierenden Schichten die äußeren Schichten des Separators.
Zweckmäßiger Weise überdecken die elektrisch isolierenden Schichten die elektrisch leitende Schicht vollständig hinsichtlich einer (Separator-Hochrichtung, Separator-Dickenrichtung, Struktur-Hochrichtung) Richtung senkrecht zu einer mittels einer der (insbesondere folienförmig ausgebildeten) Schichten aufgespannten Ebene.
Dabei ist die elektrisch leifähige Schicht aus einem Polymer, insbesondere Kunststoff, gebildet, in welchen elektrisch leitfähige Partikel eingebracht sind. Vorzugsweise wird hierbei ein elektrisch nicht leitendes Polymer verwendet. Also ist die elektrisch leifähige Schicht eine Polymerschicht. Insbesondere sind die leitfähigen Partikeln ein Füllstoff für das Polymer. Das Polymer und die elektrisch leitenden Partikel bilden also eine einteilige, also monolithische Schicht des Separators. Also sind die elektrisch leitenden Partikel in das Polymer bzw. in die Polymerschicht integriert.
Die elektrisch isolierenden Schichten des Separators weisen beispielsweise eine Ionenleitfähigkeit für Lithium-Ionen auf. Vorzugsweise sind diese Schichten für Lithium-Ionen durchlässig. Insbesondere sind die elektrisch isolierenden Schichten hierzu porös ausgebildet, so dass ein flüssiger Elektrolyt in die Poren eindringen kann. Die elektrisch isolierenden Schichten sind vorzugsweise aus (zweckmäßiger Weise porösem) Polypropylen, insbesondere aus Polypropylen-Folien, gebildet. Solche (poröse) Polypropylen-Schichten sind aus dem Stand der Technik bekannt. Alternativ hierzu wird beispielsweise Polyethylen für die elektrisch nicht leitfähigen (isolierenden) Schichten verwendet.
Beispielsweise wird für die elektrisch leitfähige Schicht ebenfalls ein Acrylharz, Polyamid, oder Polyesther verwendet werden. Vorzugsweise wird für die elektrisch leitfähige Schicht jedoch Polyethylen als Polymer verwendet. Die elektrisch leitfähige Schicht ist vorzugsweise ebenfalls porös, so dass dieser mit einem Elektrolyt getränkt werden kann. Vorzugsweise betragen die Durchmesser der Poren der elektrisch isolierenden Schichten und/oder der elektrischen leitfähigen Schicht im Durchschnitt zwischen 20 nm und 40 nm.
Die elektrisch leitfähigen Partikel sind bevorzugt Kohlenstoffpartikel. Beispielsweise sind die Kohlenstoffpartikel Kohlenstoffasern. Beispielsweise weisen diese einen (durchschnittlichen) Durchmesser zwischen 5 nm und 50 nm, insbesondere 10 nm sowie eine (durchschnittliche) Länge zwischen 10 nm und 1000 nm, insbesondere zwischen 50 nm und 500 nm, vorzugsweise 100 nm auf. Weiter beispielsweise kann ein Granulat aus Kohlenstoffpartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser zwischen 10 nm und 100 nm verwendet werden.
Kohlenstoffpartikel sind vorteilhaft vergleichsweise leicht und gut mischbar mit dem Polymer.
Weitere Alternativen zu Kohlenstoffpartikel als elektrisch leitfähige Partikel sind Graphit oder Aluminium-Nanopartikel.
Zweckmäßigerweise weisen die elektrisch isolierenden Schichten und die elektrisch leitfähige Schicht jeweils eine Schichtdicke zwischen 1 µm und 10 µm, insbesondere zwischen 2 µm und 7 µm, auf.
Besonders vorteilhaft ist es aufgrund dieser Schichtstruktur des Separators ermöglicht, ein Eindringen eines Lithium-Dendrits oder eines Grats der Anode oder der Kathode in den Separator zu erfassen, wobei beim Eindringen ein mechanischer und/oder elektrischer Kontakt mit der elektrisch leitfähigen Schicht gebildet wird. Hierzu wird beispielsweise - wie weiter unten im Zuge des Betriebsverfahrens einer einen solchen Separator umfassenden Batteriezelle vergleichsweise genau dargestellt ist - der elektrische Widerstand einer der elektrisch isolierenden Schichte oder der elektrisch isolierenden Schichten bestimmt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jede der elektrisch isolierenden Schichten zwei seitlich abstehende Kontaktabschnitte, nämlich einen ersten Kontaktabschnitt und einen zweiten Kontaktabschnitt, auf. Die Kontaktabschnitte erstrecken sich in einer Ebene, welche mittels der jeweiligen elektrisch isolierenden Schicht aufgespannt ist. Die Kontaktabschnitte überragen dabei die elektrisch leitende Schicht. Somit ist hinsichtlich der Separator-Hochrichtung unter und über diesen Kontaktabschnitten keine elektrisch leitende Schicht angeordnet.
Diese Kontaktabschnitte dienen zum Anschließen einer Messeinrichtung zur Bestimmung des elektrischen Widerstands der elektrisch isolierenden Schicht oder der elektrisch isolierenden Schichten. Bei einer Lithium-Ionen-Batteriezelle kann somit ein Anschließen der Messeinrichtung räumlich beabstandet zum deren Anoden und Kathoden erfolgen. Vorzugsweise sind die Kontaktabschnitte für ein vergleichsweise einfaches Anschließen der Messeinrichtung aus einem Gehäuse oder aus einer Hülle der Lithium-Ionen-Batteriezelle (Batteriezelle) herausgeführt, so dass ein batteriezellenaußenseitiger Anschluss ermöglicht ist.
Vorzugsweise sind bei jeder der elektrisch isolierenden Schichten die Kontaktabschnitte an einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Vorzugsweise fluchten die Kontaktabschnitte der beiden elektrisch isolierenden Schichten in Separator-Hochrichtung miteinander.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist diejenige Seite zumindest einer der elektrisch isolierenden Schichten, welche der elektrisch leitenden Schicht abgewandt ist, mit einer Keramikschicht versehen. Mit andern Worten ist auf einer Oberseite und/oder auf einer Unterseite, also einer in Separator-Hochrichtung oberen bzw. unteren Seite, der Schichtstruktur die Keramikschicht aufgebracht. Beispielsweise ist die Keramikschicht aus Aluminiumoxid gebildet oder umfasst Aluminiumoxid. Diese Keramikschicht erhöht einen (mechanischen) Eindringwiderstand eines Lithium-Dendrits oder der Anode oder der Kathode in den Separator.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein (erstes) Verfahren zur Herstellung eines Separators in einer der oben dargestellten Varianten.
Verfahrensgemäß wird zunächst ein Polymer, insbesondere Polymermaterial, bevorzugt als Granulat, sowie die elektrisch leitfähigen Partikel, einem Extruder zugeführt. Im Extruder wird das Polymermaterial und die elektrisch leitfähigen Partikel durchmischt. Als Polymer wird hier bevorzugt Polyethylen und als leitfähige Partikel vorzugsweise Kohlenstofffasern verwendet.
Der geschmolzene Polymer und die mit diesem vermischten leitfähigen Partikel werden extrudiert, also formgebend aus dem Extruder ausgegeben, insbesondere herausgepresst. Zweckmäßigerweise wird dabei die elektrisch leitende Schicht folienartig geformt. Zusammenfassend ist die elektrisch leitfähige Schicht das Extrudat. Aufgrund des zweckmäßigerweise kontinuierlichen Ausgebens der elektrisch leitenden Schicht aus dem Extruder weist diese eine Bandform auf.
Beispielsweise wird die elektrisch leitfähige Schicht anschließend wärmebehandelt („annealing“). Insbesondere wird beim Wärmebehandeln die Kristallinität der elektrisch leitfähigen Schicht erhöht und/oder diese weichgemacht. Zweckmäßigerweise wird die folienförmige elektrisch leitfähige Schicht zur weiteren Bearbeitung auf eine Vorratsrolle aufgewickelt.
Anschließend wird die elektrisch leitende Schicht beidseitig, also an einander gegenüberliegenden Grundseiten, mit elektrisch nicht leitenden Schichten laminiert. Als elektrisch nicht leitende Schichten werden beispielsweise Polypropylen-Folien, insbesondere poröse Polypropylen-Folien verwendet. Für das Laminieren werden die elektrisch leitende Schicht und die elektrisch nicht leitenden Schichten beispielsweise von einer jeweiligen Vorratsrolle abgerollt, und über bzw. unter der elektrisch leitenden Schicht angeordnet. Anhand einer Laminiereinrichtung werden diese drei Schichten unter Bildung der (bandförmigen) Schichtstruktur miteinander gefügt. Vorzugsweise wird die Schichtstruktur zur weiteren Bearbeitung auf eine Vorratsrolle aufgewickelt.
Zeitlich darauf folgend wird die Schichtstruktur kaltgestreckt. Also werden die miteinander laminierten Schichten für das Kaltstrecken nicht weiter erwärmt. Beispielsweise weist die Schichtstruktur eine Temperatur zwischen 40°C und 10°C, insbesondere Raumtemperatur, auf. Beim Kaltstrecken wird die Schichtstruktur mit einer Zugspannung beaufschlagt, so dass diese gestreckt werden. Vorzugsweise wird Schichtstruktur dabei sowohl in einer (Band-) Längsrichtung als auch in einer hierzu quer orientierten Transversalrichtung (Bandquerrichtung) gestreckt. Aufgrund dessen entstehen als Fehlerpunkte bezeichnete Defekte wie Risse oder Brüche in der elektrisch leitenden Schicht und/oder in den elektrisch insolierenden Schichten.
Für das Kaltstrecken wird bevorzugt eine Kaltstreckwalze verwendet, entlang welcher die Schichtstruktur geführt wird. Zweckmäßigerweise werden mehrere Kaltstreckwalzen verwendet, wobei die bandförmige Schichtstruktur, insbesondere mäandernd, entlang der Kaltstreckwalzen geführt wird.
Beispielsweise wird dabei die Kaltstreckwalze oder werden die Kaltstreckwalzen als Spannwalze(n) bzw. zur Erzeugung einer entsprechenden Zugspannung in Bandlängsrichtung verwendet. Alternativ hierzu ist eine separate Spannwalze vorgesehen, welch diese Zugspannung bewirkt.
Beispielsweise ist der Walzenkörper der jeweiligen Kaltstreckwalze bogenförmig gekrümmt, so dass die an der Kaltstreckwalze abrollende Schichtstruktur in Transversalrichtung, also in Richtung der Achse der Kaltstreckwalze, gestreckt wird. Alternativ und bevorzugt zu dieser Krümmung weist die jeweilige Kaltstreckwalze an deren Mantelfläche eine Struktur auf, welche eine Zugspannung bewirkt. Beispielsweise ist die Struktur als eine sich spiralförmig entlang der Walzenachse erstreckende Erhebung auf der Mantelfläche ausgebildet. Die spiralförmige Erhebung weist beispielsweise eine Höhe zwischen 20 µm und 500 µm auf. Beispielsweise ist diese die Erhebung und/oder die Mantelfläche aus Polyurethan gebildet. Solche auch als Breitstreckwalzen oder als Spreizwalzen bezeichneten Walzen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.
In vorteilhafter Ausgestaltung wird die Schichtstruktur beim Kaltstrecken zur Fehlerpunkterzeugung, insbesondere in der elektrisch leitenden Schicht, eingedrückt. Vorzugsweise werden an einer Vielzahl von Stellen die Fehlerpunkte erzeugt. Zweckmäßig weist hierzu die Kaltstreckwalze oder alternativ eine weitere Walze insbesondere nadelförmige Fortsätze auf, welche zur Mantelfläche und/oder zur spiralförmigen Erhebung der Kaltstreckwalze und/oder zur Mantelfläche der weiteren Walze emporstehen. Vorzugsweise sind diese Fortsätze regelmäßig an der Mantelfläche angeordnet. Beim Fördern der Schichtstruktur drücken diese Fortsätze die elektrisch isolierende Schicht sowie zumindest die elektrisch leitfähige Schicht ein. Auf diese Weise werden gezielt und vergleichsweise viele Fehlerpunkte in die elektrisch leitfähige Schicht und/oder in die elektrisch isolierenden Schichten eingebracht. Beispielsweise wird die Schichtstruktur beidseitig mit einer Schutzfolie umgeben, also wird zwischen die Kaltstreckwalzen und der Schichtstruktur die Schutzfolie eingebracht. Dabei wird die Schutzfolie von den Fortsätzen eingedrückt, was wiederum ein Eindrücken der Schichtstruktur bewirkt. Hierbei sind die Fortsätze und die Schichtstruktur also nicht direkt in Kontakt miteinander. Anhand der Schutzfolie wird dabei eine unerwünschte Beschädigung der Schichtstruktur, insbesondere ein Zerreißen oder eine Perforation vermieden.
Die nadelförmigen Fortsätze sind beispielsweise anhand einer Beschichtung der Mantelfläche und/oder der spiralförmigen Erhebung mit einer Aluminium-Oxid-Keramik gebildet. Die aufgebrachten Keramik-Partikel bilden die Fortsätze, wobei diese vorzugsweise weisen einen (durchschnittlichen) Durchmesser zwischen 20 nm und 40 nm, und/oder eine Länge von 2 µm bis 10 , insbesondere 5 µm, auf.
Zeitlich an das Kaltstrecken anschließend wird die Schichtstruktur, also die miteinander laminierten Schichten warmgestreckt. Hierzu wird die Schichtstruktur auf eine Temperatur zwischen 100°C und 130°C erwärmt. Zum Warmstrecken wird zweckmäßigerweise eine oder mehrere Warmstreckwalzen verwendet. Die Warmstreckwalze ist vorzugsweise in analoger Weise zur Kaltstreckwalze als eine Breitstreckwalze ausgebildet, so dass die Schichtstruktur mit einer Zugspannung in Transversalrichtung beaufschlagt wird. Durch das Warmstrecken werden die beim Kaltstrecken eingebrachten Fehlerpunkte vergrößert, so dass sich in der elektrisch leitenden Schicht und/oder in den elektrisch nicht leitenden Schichten Poren bilden. Vorzugsweise werden die Zugkräfte dabei derart eingestellt, dass die durchschnittliche Porengröße zwischen 20 nm und 40 nm beträgt.
Beispielsweise wird die Warmstreckwalze oder werden die Warmstreckwalzen als Spannwalze(n) bzw. zur Erzeugung einer entsprechenden Zugspannung in Bandlängsrichtung verwendet. Alternativ hierzu ist eine separate Spannwalze vorgesehen, welch diese Zugspannung bewirkt.
Das Kaltstrecken und/oder das Warmstrecken erfolgt ist zweckmäßiger Weise ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren.
Die Zugspannung beim Warmstrecken beträgt beispielsweise zwischen 10 N/mm² und 80 N/mm², vorzugsweise zwischen 20 N/mm² und 40 N/mm². Die Zugspannung beim Kaltstrecken beträgt beispielsweise zwischen 25 N/mm² und 100 N/mm², vorzugsweise 50 N/mm².
Sofern eine Schutzfolie verwendet wurde, wird diese anschließend entfernt und die bandförmige Schichtstruktur unter Bildung einzelner Separatoren zugeschnitten. Sofern Kontaktabschnitte für die elektrisch isolierenden Schichten vorgesehen sind, werden bei der Herstellung der Schichtstruktur elektrisch nicht leitende Schichten verwendet, welche in Transversalrichtung eine größere Ausdehnung aufweisen, als die elektrisch leitende Schicht. Beispielsweise werden die Kontaktabschnitte aus den Bereichen ausgeschnitten, die in bzw. gegen die Transversalrichtung über die elektrisch leitende Schicht hinausragt („notching“).
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Separators gemäß dem ersten Verfahren. Zusammenfassend weist die Vorrichtung den Extruder zur Bildung der elektrisch leitenden Schicht als Extrudat, die Laminiereinrichtung zum beidseitigen Laminieren der elektrisch leitenden Schicht mit den elektrisch isolierenden Schichten auf. Weiterhin umfasst die Vorrichtung zumindest eine Kaltstreckwalze zum Kaltstrecken der miteinander laminierten Schichten, wobei die Kaltstreckwalze vorzugsweise an deren Mantelfläche, insbesondere nadelförmige, Fortsätze zur Fehlerpunkterzeugung in der elektrisch leitenden Schicht aufweist. Zudem umfasst die Vorrichtung zumindest eine Warmstreckwalze zum Warmstrecken der kaltgestreckten Schichten.
Zum Erwärmen der Schichtstruktur für das Warmstrecken umfasst die Vorrichtung zweckmäßiger Weise eine Heizeinrichtung, beispielsweise einen Infrarotstrahler. Zusätzlich oder alternativ sind die Warmstreckwalzen beheizbar.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein alternatives (zweites) Verfahren zur Herstellung eines Separators in einer der oben dargestellten Varianten.
Gemäß diesem zweiten Verfahren wird dem Extruder das Polymer (-material), zweckmäßigerweise als Granulat, die elektrisch leitfähigen Partikel sowie ein Weichmacher zugeführt. Hier wird vorzugsweise als Polymer ebenfalls Polyethylen, als leitfähige Partikel Kohlenstofffasern herangezogen.
Als Weichmacher wird beispielsweise Naphtha oder ein lineares Carbonat wie beispielsweise Dimethylcarbonat verwendet. Allenfalls weist der Weichmacher einen Schmelzpunkt zwischen 50°C und 90°C auf. Wird ein solcher Weichmacher verdampft entstehen die entsprechenden Poren in der leitfähigen Schicht. Alternativ wird als Weichmacher ein Salz, insbesondere ein Lihtium-basiertes Salz, vorzugsweise LiTFSi (Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)amid) verwendet. Allenfalls löst sich das Salz in einem Lösungsmittel, wobei die Poren in der Schicht entstehen.
Auch wenn das Salz nicht vollständig bei der Herstellung des Separators gelöst werden, werden diese vorteilhaft im Elektrolyt der Batteriezelle gelöst.
Als Extrudat wird eine folienförmige, insbesondere bandförmige, elektrisch leitende Schicht, also eine Polymerschicht mit darin eingebrachten bzw. darin aufgenommenen leitfähigen Partikeln und Weichmacher hergestellt.
Anschließend wird der Weichmacher aus der elektrisch leitfähigen Schicht entfernt. Hierzu wird die elektrisch leitfähige Schicht erwärmt, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 40°C und 70°C, so dass der Weichmacher verdampft. Alternativ oder zusätzlich hierzu wird der Weichmacher anhand eines Lösungsmittels aus der elektrisch leitfähigen Schicht herausgelöst. Durch das Entfernen des Weichmachers entstehen dabei die Poren in der elektrisch leitfähigen Schicht
Darauf folgend wird die elektrisch leitfähige Schicht beidseitig mit jeweils einer elektrisch nicht leitenden Schicht unter Bildung der Schichtstruktur laminiert. Beispielsweise werden hierzu, insbesondere poröse, Polypropylen-Folien also elektrisch nicht leitende Schichten verwendet.
Sofern Kontaktabschnitte an den elektrisch nicht leitenden Schichten vorgesehen sind, werden in analoger Weise zum ersten Verfahren elektrisch nicht leitende Schichten verwendet, welche beidseitig in Transversalrichtung die elektrisch leitende Schicht überragen.
Abschließend wird die bandförmige Schichtstruktur unter Bildung einzelner Separatoren aus- und/oder zugeschnitten.
Vorzugsweise ist der Separator in einer der oben beschriebenen Varianten anhand des ersten Verfahrens oder des zweiten Verfahrens hergestellt. Insbesondere gelten somit die Ausführungen zum oben dargestellten Separator in analoger Weise für einen gemäß einem dieser Verfahren hergestellten Separator.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine kurz auch als Batteriezelle bezeichnete Lithium-Ionen-Batteriezelle. Diese weist zumindest einen Separator auf, der gemäß einer der oben dargestellten Varianten ausgebildet ist und/oder gemäß einem der oben dargestellten Verfahren hergestellt wurde.
Die Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode, wobei zwischen der Anode und der Kathode bzw. zwischen den Anoden und den Kathoden jeweils ein solcher Separator angeordnet ist. Also dient der jeweilige Separator der elektrischen und/oder mechanischen Trennung der entsprechenden Anode und der Kathode. Weiterhin umfasst die Lithium-Ionen-Batteriezelle einen Flüssigelektrolyt.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Lithium-Ionen- Batteriezelle sind die Kontaktabschnitte der isolierenden Schichten nach Batteriezellenaußen geführt und ragen also aus dem Gehäuse bzw. aus der Hülle heraus. Besonders bevorzugt ragen lediglich die Kontaktabschnitte des jeweiligen Separators nach Batteriezellenaußen. Mit anderen Worten erstrecken sich die Kontaktabschnitte von einem vom Gehäuse bzw. von der Hülle umfassten Zellinnenbereich durch das Gehäuse bzw. durch die Hülle in einen Zellaußenbereich. Auf diese Weise können die Kontaktabschnitte zur Messung oder zur Bestimmung des elektrischen Widerstands der elektrisch isolierenden Schicht bzw. der elektrisch isolierenden Schichten in vergleichsweise aufwandsarm mit einer Messeinrichtung kontaktiert werden. Vorteilhaft ist dabei die elektrisch leitende Schicht des Isolators vollständig im Zellinnenbereich angeordnet, so dass dieser vor einer Beschädigung oder vor einem Kontakt geschützt ist.
Zweckmäßiger Weise weist das Gehäuse oder die Hülle der eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung auf. Dabei sind bei jeder der elektrisch isolierenden Schichten ein erster deren Kontaktabschnitte durch die erste Öffnung und der zweite deren Kontaktabschnitte durch die zweite Öffnung nach gehäuseaußen geführt. Vorzugsweise sind dabei die ersten Kontaktabschnitte der elektrisch isolierenden Schichten, insbesondere aller elektrisch isolierenden Schichten, beispielsweise durch Ultraschallschweißen, miteinander gefügt. Analog hierzu sind vorzugsweise die zweiten Kontaktabschnitte der elektrisch isolierenden Schichten, insbesondere aller elektrisch isolierenden Schichten, beispielsweise durch Ultraschallschweißen, miteinander gefügt. Bei dieser Ausgestaltung ist der elektrische Gesamtwiderstand der elektrisch isolierenden Schichten bestimmbar.
Insbesondere sofern die Batteriezelle als prismatische Zelle mit einem biegesteifen Gehäuse, beispielsweise aus einem Metallblech, ausgebildet sind, sind die Kontaktabschnitte alternativ hierzu im Zellinneren angeordnet, wobei die ersten Kontaktabschnitte mit einem ersten Messkontakt (Terminal) und die zweiten Kontaktabschnitte mit einem zweiten Messkontakt elektrisch verbunden sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Lithium-Ionen-Batteriezelle in einer der oben dargestellten Varianten. Insbesondere dient das Verfahren zum Erkennen einer Durchdringung des Separators mit leitfähigem Material, insbesondere durch einen Lithium-Dendrit oder durch eine Anode oder eine Kathode.
Verfahrensgemäß wird der elektrische Widerstand des jeweiligen Separators oder der Separatoren (insbesondere sofern die ersten Kontaktabschnitte miteinander gefügt und/oder durch eine gemeinsame Öffnung aus dem Zellinnenbereich herausgeführt sind) ermittelt. Hierzu wird bevorzugt eine Strommessung verwendet. Dabei wird zweckmäßiger Weise der Strom zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt oder zwischen den ersten Kontaktabschnitten und den zweiten Kontaktabschnitten erfasst.
Anhand des ermittelten elektrischen Widerstands wird ein Zustand des Separators oder der Separatoren bestimmt. So wird der anhand der Strommessung bestimmte elektrische Widerstand mit einem Schwellenwert, der beispielsweise 1 MΩ beträgt, verglichen. Wird der Schwellenwert durch den bestimmten elektrischen Widerstand unterschritten, gilt ein Durchdringen des Separators als bestimmt. Beispielsweise wird in diesem Fall wird ein Betrieb der Lithium-Ionen-Batteriezelle beendet und/oder eine Warnung an einen Benutzer der Batteriezelle ausgegeben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Dessen Traktionsbatterie weist mindestens eine Batteriezelle auf, die einen Separator in einer der oben dargestellten Varianten aufweist und/oder gemäß dem oben dargestellten Verfahren betrieben ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 schematisch einen Separator für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle in Seitenansicht, wobei der Separator eine elektrisch leitende Schicht aufweist, die zwischen zwei elektrisch nicht leitenden Schichten angeordnet ist,
2 schematisch den Separator in einer Draufsicht, wobei jede der elektrisch isolierenden Schichten an einander gegenüberliegenden Seiten einen Kontaktabschnitt aufweist,
3 schematisch einen Elektrodenstapel mit Anoden und Elektroden in perspektivischer Ansicht, wobei zwischen den Anoden und den Kathoden jeweils ein Separator angeordnet ist,
4 schematisch eine als Pouchzelle ausgebildete Lithium-Ionen-Batteriezelle mit dem Elektrodenstapel, wobei die Kontaktabschnitte der Separatoren für eine Bestimmung des elektrischen Widerstands nach Batteriezellenaußen geführt sind,
5 anhand eines Flussdiagramms ein erstes Verfahren zur Herstellung des Separators, wobei ein eine elektrisch leitfähige Schicht bildendes folienförmiges Extrudat beidseitig jeweils mit einer nicht leitenden Schicht laminiert wird, und wobei die miteinander laminierten Schichten kaltgestreckt und anschließend warmgestreckt werden,
6 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung des Separators nach dem Verfahren gemäß der 5,
7 schematisch in perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt einer Kaltstreckwalze, die an deren Mantelfläche nadelförmige Fortsätze aufweist, und
8 anhand eines Flussdiagramms ein zweites Verfahren zur Herstellung des Separators, wobei ein Extrudat mit einem Polymer, leitfähigen Partikeln und Weichmacher hergestellt wird, wobei der Weichmacher aus dem Extrudat entfernt wird, und wobei das folienförmige Extrudat beidseitig jeweils mit einer nicht leitenden Schicht laminiert wird.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der 1 ist ein Separator 2 für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle 4 (Batteriezelle 4) dargestellt. Der Separator 2 ist nach Art einer Sandwich-Bauweise aufgebaut. Dieser umfasst eine elektrisch leitende Schicht 6, welche zwischen zwei elektrisch nicht leitenden Schichten 8 angeordnet ist. Dabei sind die elektrisch nicht leitenden Schichten 8 mit der elektrisch leitenden Schicht 6 gefügt.
Als Separator-Hochrichtung Z ist dabei diejenige Richtung zu verstehen, in welcher die Schichten 6,8 übereinander angeordnet sind. Mit anderen Worten ist die Separator-Hochrichtung Z senkrecht zu einer von einer der Schichten 6,8 aufgespannten Ebene orientiert.
Die elektrisch nicht leitenden Schichten 8 dabei aus einer größeren Polypropylen-Folie gebildet. Die elektrisch leitende Schicht 6 ist eine Polymerschicht aus Polyethylen als Polymer 10, in welche elektrisch leitfähige Partikel 12, wie beispielsweise Kohlenstofffasern, eingebracht sind.
In dem Beispiel der Figur eins ist auf der der elektrisch leitenden Schicht sechs abgewandten Seite einer der elektrisch isolierenden Schichten 8 eine Keramikschicht 14 aufgebracht. Diese ist insbesondere aus Aluminiumoxid gebildet. Im Montagezustand des Separator 2 in der Batteriezelle 4 ist dabei die Keramikschicht vorzugsweise einer A Note zugewandt.
Gemäß einer nicht weiter dargestellten Alternative des Separators 2 weist dieser keine Keramikschicht 14 auf. Gemäß einer weiteren nicht weiter dargestellten Alternative des Separators 2 sind Keramikschichten 14 an den der elektrisch leitenden Schicht 6 abgewandten Seite beider elektrisch isolierenden Schichten 8 angeordnet.
Insbesondere in der 2 erkennbar ist, überragen die elektrisch isolierenden Schichten 8 die elektrisch leitende Schicht 6 in einer Ebene senkrecht zur Separator-Hochrichtung Z. Mit anderen Worten überdecken die elektrisch nicht leitenden Schichten 8 die elektrisch leitende Schicht 6 hinsichtlich der Separator-Hochrichtung Z vollständig. Zum Zwecke einer besseren Verständlichkeit ist dabei der Umfang der (von der elektrisch isolierenden Schicht 8 überdeckten) elektrisch leitenden Schicht 6 strichliniert dargestellt.
Des Weiteren weisen die beiden elektrisch isolierenden Schichten 8 jeweils zwei seitlich abstehende Kontaktabschnitte, nämlich einen ersten Kontaktabschnitt 16a und einen zweiten Kontaktabschnitt 16b auf. Diese sind an einander gegenüberliegenden Seiten der jeweiligen elektrisch nicht leitenden Schicht 8 angeordnet und erstrecken sich in einer Richtung senkrecht zur Separator-Hochrichtung Z. In Separator-Hochrichtung Z fluchten dabei die Kontaktabschnitte 16a der beiden elektrisch nicht leitenden Schichten 8 miteinander. Zudem fluchten die Kontaktabschnitte 16b der beiden elektrisch nicht leitenden Schichten 8 miteinander.
In der 3 ist schematisch in perspektivischer Ansicht eine Elektrodenanordnung 18 für die Lithium-Ionen-Batteriezelle 4 dargestellt. Gemäß der hier dargestellten Elektrodenanordnung 18 ist diese als ein Elektrodenstapel ausgebildet, bei welchem alternierend Anoden 20 und Kathoden 22 übereinander angeordnet sind. Dabei ist jeweils zwischen den Anoden 20 und den Kathoden 22 ein Separator 2 in einer der oben dargestellten Varianten angeordnet.
Gemäß dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind Kontaktabschnitte 24 der Anoden 20 und einer der Kontaktabschnitte 16 die Kontaktabschnitte 26 der Kathoden 22 an einander gegenüberliegenden Seiten des Elektrodenstapels angeordnet und fluchten jeweils in einer Stapel Richtung Zs miteinander. Hinsichtlich der Stapelrichtung Zs des Elektrodenstapels fluchten weiterhin die Kontaktabschnitte 16a der Separatoren 2 miteinander. Analog hierzu fluchten die Kontaktabschnitte 16b in diese Richtung miteinander.
Gemäß einer nicht weiter dargestellten Variante der Elektrodenanordnung 18 ist diese als ein Elektrodenwickel ausgebildet, wobei zwischen dessen Anode und dessen Kathode ein Separator 2 angeordnet ist.
In der 4 ist die kurz auch als Batteriezelle 4 bezeichnete Lithium-Ionen-Batteriezelle 4 schematisch in einer Draufsicht gezeigt. Hierbei ist die Batteriezelle 4 als eine Pouchzelle ausgebildet. Die folgenden Ausführungen gelten jedoch auch in analoger Weise für eine sogenannte prismatische Batteriezelle. Die Hülle 27 der Batteriezelle 4 weist vier Öffnungen, nämlich eine erste Öffnung 28a, eine zweite Öffnung 28b, eine dritte Öffnung 28c sowie eine vierte Öffnung 28d auf. Durch die erste Öffnung 28a sind dabei die, beispielsweise anhand eines Ultraschweißvorgangs, miteinander gefügten ersten Kontaktabschnitte 16a der Separatoren 2 von einem von der Hülle 27 umfassten Zelleninnenraum 30 nach Batteriezellenaußen geführt. Zweckmäßigerweise ist dabei die erste Öffnung 28a fluiddicht mit den darin aufgenommenen ersten Kontaktabschnitten 16a verschlossen. In analoger Weise hierzu sind durch die zweite Öffnung 28b die miteinander gefügten zweiten Kontaktabschnitte 16b vom Zellinnenraum 30 nach Batteriezellenaußen geführt. Dabei sind die elektrisch leitenden (leitfähigen) Schichten 6 vollständig innerhalb der Hülle 27 angeordnet. Diese ragen also nicht nach Batteriezellenaußen.
Durch die dritte Öffnung 28c ist ein erster Stromabnehmer 32, welcher im Zellinnenraum 30 mit den Kontaktabschnitten 24 der Anoden 20, beispielsweise durch Ultraschallschweißen oder Laserstrahlschweißen, gefügt ist, nach Batteriezellenaußen geführt. Analog hierzu ist durch die vierte Öffnung 28d ein zweiter Stromabnehmer 34, welcher im Zellinnenraum 30 mit den Kontaktabschnitten 26 der Kathoden 22 gefügt ist, nach Batteriezellenaußen geführt.
Bei Betrieb der Batteriezelle 4 wird ein elektrischer Widerstand deren Separatoren 2 ermittelt. Hierzu sind die nach außen geführten Kontaktabschnitte 16a, 16b an eine Strom- oder Spannungsquelle 36 angeschlossen. Hierbei sind die Kontaktabschnitte 16a,16b batteriezellenaußen mit der Strom- oder Spannungsquelle 36 verbunden. Zum Ermitteln des elektrischen Widerstands wird hierbei der Strom zwischen der Strom- oder Spannungsquelle 36 und den Kontaktabschnitten 16b anhand eines Strommessgeräts 38 erfasst. Unterschreitet der anhand des erfassten Stroms ermittelte elektrische Widerstand der Separatoren 2 und/oder überschreitet der erfasste Strom einen jeweiligen Schwellenwert, so gilt ein durchdringen des Separators 2, zumindest einer dessen elektrisch nicht leitenden (isolierenden) Schichten 8 anhand eines Lithium-Dendrits oder eines Grats einer der Anoden 20 oder der Kathoden 22 als erfasst. Dies basiert auf der Überlegung, dass bei einem Durchdringen einer der elektrisch nicht leitenden Schichten 8 anhand eines Lithium-Dendrits oder eines Grats einer der Anoden 20 oder der Kathoden 22 ein entsprechender elektrischer Strom von der Anode 20 oder von der Kathode 22 in oder der elektrisch leitenden Schicht 6 zum mit dem Strommessgerät 38 verbundenen Kontaktabschnitt 16a bzw. 16b fließt. Dies resultiert effektiv in einer Reduktion des elektrischen Widerstands des Separators und kann anhand der Strommessung durch das Strommessgerät 38 erfasst werden. Zusammenfassend wird anhand des ermittelten elektrischen Widerstands ein Zustand der Separatoren 2 der Batteriezelle 4 bestimmt.
In der 4 ist die Hülle 27 zum Zwecke einer besseren Erkennbarkeit transparent dargestellt.
In der 5 ist ein Flussdiagramm gezeigt, das ein erstes Verfahren zur Herstellung eines Separators 2 gemäß den Ausführungen zu den 1 und 2 repräsentiert. Eine entsprechende Vorrichtung 40 zur Durchführung des Verfahrens, also zum Herstellen eines solchen Separators 2 ist in der 6 dargestellt. In einem ersten Schritt Ia des Verfahrens wird das Polymer 10 in Form eines Granulats sowie die elektrisch leitfähigen Partikel 12, insbesondere in Form eines Pulvers oder eines Granulats, einem Extruder 42 der Vorrichtung 40 zugeführt. Anhand des Extruder wird das Polymer 10, insbesondere Polyethylen, geschmolzen, wobei es sich mit den leitfähigen Partikeln 12, insbesondere Kohlenstofffasern, vermischt. Das mit den leitfähigen Partikeln 12 vermischte Polymer 10 wird explodiert, wobei das Extrudat zweckmäßigerweise folienförmig, insbesondere bandförmig, geformt wird. Das Extrudat bildet dabei die elektrisch leitfähige Schicht 6.
In einem zweiten Schritt IIa wird die elektrisch leitfähige Schicht 6 anhand einer ersten Heizeinrichtung 44 wärmebehandelt („annealing“). Anschließend wird die elektrisch leitfähige Schicht 6 auf eine Vorratsrolle (nicht dargestellt) aufgewickelt.
In einem dritten Schritt IIIa wird die elektrisch leitfähige Schicht 6 abgewickelt und zwischen zwei elektrisch nicht leitfähige, also elektrisch isolierende Schichten 8 eingebracht. Hierzu werden beispielsweise die drei Schichten von einer jeweiligen Vorratsrolle abgewickelt und übereinander angeordnet. Die elektrisch leitfähige Schicht 6 sowie die elektrisch isolierenden Schichten 8 werden anhand einer Laminiereinrichtung 46 miteinander terminiert, also miteinander gefügt. Insbesondere werden hierzu die Schichten 6,8 gegeneinandergepresst und dabei erwärmt. Zweckmäßigerweise werden die miteinander terminierten Schichten 6,8 erneut auf eine Vorratsrolle aufgewickelt.
In einem vierten Schritt IVa wird auf beiden Seiten der miteinander laminierten Schichten 6,8, also die anhand dieser Schichten 6,8 gebildete Schichtstruktur, jeweils eine Schutzfolie 48 angeordnet. Die Schichtstruktur mit den Schutzfolien wird in diesem Schritt kalt gestreckt, wobei die Schichtstruktur eine Temperatur zwischen 40°C und 10°C, insbesondere Raumtemperatur aufweist. Hierzu umfasst die Vorrichtung 40 Walzen, anhand welchen die Folie geführt und/oder gefördert wird. Zumindest eine dieser Walzen ist dabei eine Kaltstreckwalze 50, welche als eine Breitstreckwalze ausgebildet ist. Eine solche Kaltstreckwalze 50 ist beispielhaft in der 7 dargestellt. Zur Erzeugung einer Zugspannung in Richtung der Achse der Kaltstreckwalze 50, also in Transversalrichtung der Schichtstruktur, weist diese eine sich entlang deren Achse spiralförmig erstreckende Erhebung 52 an deren Mantelfläche 54 auf. Gemäß einer nicht weiter dargestellten Alternative der Kaltstreckwalze 50 ist diese zu Erzeugung der Zugsspannung in Transversalrichtung bogenförmige gekrümmt. Beispielsweise wird eine Zugspannung quer zur Transversalrichtung, also in (Band-) Längsrichtung der bandförmigen Schichtstruktur anhand der Kaltstreckwalze 50 und zusätzlich oder alternativ weiterer Walzen wie einer Reib-walze oder einer Streckwalze.
Die oder jede der Kaltstreckwalzen 50 weist an deren Mantelfläche 54 und vorzugsweise zusätzlich auf deren Erhebung 52 nadelförmige Fortsätze 56 auf. Gemäß einer nicht weiter dargestellten Alternative weist eine zur Kaltstreckwalze 56 zusätzliche weitere Walze an deren Mantelfläche die nadelförmige Fortsätze 56 auf. Beim Fördern der Schichtstruktur anhand der Kaltstreckwalze 56 bzw. anhand der Kaltstreckwalze und der weiteren Walze wird die Schutzfolie und damit einhergehend die Schichtstruktur, also die miteinander nominierten Schichten 6,8 aufgrund der Fortsätze 56 eingedrückt. Mit anderen Worten drücken die Fortsätze 56 in die Schutzfolie 48 ein, sodass Fehlerpunkte, also lokale Defekte, in der Schichtstruktur also in der elektrisch leitenden Schicht 6 und/oder in einer oder in beiden elektrisch isolierenden Schichten 8 entstehen.
In der 7 sind dabei die Fortsätze 56 zum Zwecke eine besseren Erkennbarkeit wesentlich vergleichsweise groß dargestellt. Beispielsweise sind die Fortsätze 56 anhand einer Aluminium-Oxid-Beschichtung gebildet, die zweckmäßiger Weise durch sogenannte Strahlabscheidun („Jet deposition“) von Aluminium-Oxid-Partikeln auf die Mantelfläche 54 bzw. auf die Erhebung 52 aufgebracht werden. Dabei haben diese Partikel eine Länge von durchschnittlich zwischen 2 µm und 10 µm, insbesondere 5 µm. Die Erhebung dagegen steht zwischen 20 µm und 500 µm zur Mantelfläche 54 empor. Dabei sind zum Zwecke einer besseren Erkennbarkeit der Fortsätze 56 und der Erhebung 52 in der 7 lediglich die Fortsätze 56 auf der Mantelfläche 54 dargestellt. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsvariante sind jedoch auch solche Fortsätze 56 auf der spiralförmigen Erhebung 52 angeordnet.
Anschließend wird die mit Fehlerpunkten versehene Schichtstruktur warmgestreckt (Schritt Va). Mit anderen Worten wird die Schichtstruktur zunächst erwärmt, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 110 °C und 130 °C und anschließend mit einer Zugspannung, vorzugsweise sowohl in Transversalrichtung, als auch in Längsrichtung, beaufschlagt. Hierzu wird zumindest eine Warmstreckwalze 58 der Vorrichtung 40 verwendet, welche zweckmäßigerweise als Breitstreckwalze ausgebildet ist. Die Vorrichtung 40 umfasst hierzu eine zweite Heizeinrichtung 60, beispielsweise einen Infrarotstrahler, anhand welcher die Schichtstruktur erwärmbar ist. Zusätzlich oder alternativ hierzu ist die Warmstreckwalze 58 bzw. sind die Warmstreckwalzen 58 beheizbar. Aufgrund des Warmstreckens dehnen sich die Fehlerpunkte räumlich aus, so dass Poren in der jeweiligen Schicht 6,8 gebildet werden.
Das Kaltstrecken und das Warmstrecken sind dabei zweckmäßiger Weise als eine Rolle-zu-Rolle-Verfahren ausgebildet.
In einem sechsten Schritt Via werden die Schutzfolien 48 von der Schichtstruktur entfernt und Separatoren 2 anhand einer Schneideinrichtung 62 vereinzelt.
In der 8 ist anhand eines Flussdiagramms ein alternatives zweites Verfahren zur Herstellung des Separators 2 gemäß einer der 1 oder 2 dargestellt. In einem ersten Schritt Ib dieses zweiten Verfahrens wird dem Extruder 42 das Polymer 10, zweckmäßigerweise als Granulat, die elektrisch leitfähigen Partikel 12 sowie ein Weichmacher 64 zugeführt. Hier wird vorzugsweise als Polymer 10 ebenfalls Polyethylen und als leitfähige Partikel Kohlenstofffasern 12 herangezogen.
Als Extrudat wird die folienförmige, insbesondere bandförmige, elektrisch leitende Schicht 6, also eine Polymerschicht mit darin eingebrachten bzw. darin aufgenommenen leitfähigen Partikeln 12 und Weichmacher 64 hergestellt.
In einem zweiten Schritt IIb wird der Weichmacher 64 aus der elektrisch leitfähigen Schicht 6 entfernt. Hierzu wird die elektrisch leitfähige Schicht erwärmt, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 40°C und 70°C, so dass der Weichmacher 64 verdampft. Alternativ oder zusätzlich hierzu wird der Weichmacher anhand eines Lösungsmittels aus der elektrisch leitfähigen Schicht 6 herausgelöst. Allenfalls entstehen aufgrund des Entfernens des Weichmachers 64 entstehen Poren in der elektrisch leitfähigen Schicht 6.
Darauf folgend wird in einem dritten Schritt IIIb die elektrisch leitfähige Schicht 6 beidseitig mit jeweils einer elektrisch nicht leitenden Schicht 8 laminiert. Beispielsweise werden hierzu, insbesondere poröse, Polypropylen-Folien also elektrisch nicht leitende Schichten 8 verwendet.
Abschließend wird in einem vierten Schritt IVb die bandförmige Schichtstruktur unter Bildung einzelner Separatoren 2 gegebenenfalls inklusive der Kontaktabschnitte 16a, 16b zugeschnitten.
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: Separator
4: Lithium-Ionen-Batteriezelle
8: elektrisch isolierende Schicht
6: elektrisch leitende Schicht
14: Keramikschicht
10: Polymer
12: leitfähiger Partikel
16a,16b: Kontaktabschnitt
18: Elektrodenanordnung/Elektrodenstapel
20: Anode
22: Kathode
24: Kontaktabschnitt der Anode
26: Kontaktabschnitt der Kathode
27: Hülle
28a bis d: Öffnung
30: Zelleninnenraum
32: erster Stromabnehmer
34: zweiter Stromabnehmer
36: Strom- oder Spannungsquelle
38: Strommessgerät
40: Vorrichtung
42: Extruder
44: erste Heizeinrichtung
46: Laminiereinrichtung
48: Schutzfolie
50: Kaltstreckwalze
52: Erhebung
54: Mantelfläche
56: Fortsatz
58: Warmstreckwalze
60: zweite Heizeinrichtung
62: Schneideinrichtung
64: Weichmacher
Z: Separator-Hochrichtung
ZS: Stapelhochrichtung
Ia: Extrudieren
IIa: Wärmebehandlung
IIIa: Laminieren
IVa: Kaltstrecken
Va: Warmstrecken
Via: Zuschneiden
Ib: Extrudieren
IIb: Entfernen des Weichmachers
IIIb: Laminieren
IVb: Zuschneiden

Claims

Separator (2) für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (4), aufweisend - zwei elektrisch isolierende Schichten (8), und - eine zwischen den beiden elektrisch isolierenden Schichten (8) angeordnete elektrisch leitende Schicht (6), wobei die elektrisch leitende Schicht (6) aus einem Polymer (10) gebildet ist, in welchen elektrisch leitfähige Partikel (12) eingebracht sind.
Separator (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der elektrisch isolierenden Schichten (8) zwei seitlich abstehende Kontaktabschnitte (16a, 16b) aufweist.
Separator (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der elektrisch leitenden Schicht (6) abgewandte Seite zumindest einer der elektrisch isolierenden Schichten (8) mit einer Keramikschicht (14), insbesondere aus Aluminiumoxid, versehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Separators (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, - wobei einem Extruder (42) ein Polymer (10) und elektrisch leitfähige Partikel (12) zugeführt werden und die elektrisch leitfähige Schicht (6) extrudiert wird, - wobei die extrudierte elektrisch leitfähige Schicht (6) beidseitig mit jeweils einer elektrisch nicht leitenden Schicht (8) laminiert wird, - wobei die miteinander laminierten Schichten (8, 6) kaltgestreckt werden, und - wobei die miteinander laminierten Schichten (8, 6) warmgestreckt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander laminierten Schichten (8, 6) beim Kaltstrecken zur Fehlerpunkterzeugung in der elektrisch leitenden Schicht (6) eingedrückt werden.
Vorrichtung (40) zur Herstellung eines Separators (2) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, aufweisend - einen Extruder (42) zur Bildung der elektrisch leitenden Schicht (6) aus einem Polymer (10), in welchem elektrisch leitende Partikel (12) eingebracht sind, - eine Laminiereinrichtung (46) zum beidseitigen Laminieren der elektrisch leitenden Schicht mit elektrisch isolierenden Schichten (8), - zumindest eine Kaltstreckwalze (50) zum Kaltstrecken der miteinander laminierten Schichten (8, 6), wobei die Kaltstreckwalze (50) vorzugsweise an deren Mantelfläche (54), insbesondere nadelförmige, Fortsätze (56) zur Fehlerpunkterzeugung in der elektrisch leitenden Schicht (6) aufweist, - zumindest eine Warmstreckwalze (58) zum Warmstrecken der kaltgestreckten Schichten (8, 6).
Verfahren zur Herstellung eines Separators (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, - wobei einem Extruder (42) ein Polymer (10), elektrisch leitfähige Partikel (12) sowie ein Weichmacher (64) zugeführt werden und die elektrisch leitfähige Schicht (6) extrudiert wird, - wobei der Weichmacher (64) aus der elektrisch leitfähigen Schicht (6) entfernt wird, - wobei die elektrisch leitfähige Schicht (6) beidseitig mit jeweils einer elektrisch nicht leitenden Schicht (8) laminiert wird.
Lithium-Ionen-Batteriezelle (4) mit einem Separator (2), welcher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet und/oder gemäß dem Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 oder gemäß dem Verfahren nach Anspruch 7 hergestellt ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle (4) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktabschnitte (16a, 16b) nach batteriezellenaußen geführt sind.
Verfahren zum Betrieb einer nach Anspruch 8 oder 9 ausgebildeten Lithium-Ionen-Batteriezelle (4), - wobei der elektrische Widerstand des Separators (2) oder der Separatoren (2) ermittelt wird, - wobei anhand des ermittelten elektrischen Widerstands ein Zustand des Separators (2) bestimmt wird.