DE102021212552A1

DE102021212552A1 - Batteriezelle sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle

Info

Publication number: DE102021212552A1
Application number: DE102021212552.2A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-11-08
Filing date: 2021-11-08
Publication date: 2023-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem Elektrodenstapel (5), in dem zumindest eine Elektrode (A, K) aus einem Elektrodensubstrat (7) ausgebildet ist, das beidseitig mit Elektrodenaktivmaterial (9) beschichtet ist. Erfindungsgemäß ist das Elektrodensubstrat (9) nichtmetallisch und aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle nach Anspruch 5.
Eine gattungsgemäße Batteriezelle weist in ihrem Zellgehäuse einen Elektrodenstapel auf in dem jede der Elektroden aus einem flächigen Elektrodensubstrat ausgebildet ist, das beidseitig mit Elektrodenaktivmaterial beschichtet ist.
Al- und Cu-Folien werden als Stromkollektoren für Kathoden- bzw. Anodenmaterialien in Lithium-lonen-Zellen verwendet. In einer Lithium-Ionen-Zelle, die einen Flüssigelektrolyt verwendet, ist die dünne Beschichtung der aktiven Elektrodenmaterialien mit dem Flüssigelektrolyt durchtränkt. Die Wechselwirkung zwischen den Elektrolytkomponenten und den Stromkollektoren wirkt sich stark auf die Leistungsstabilität der Zelle aus, insbesondere auf der Kathodenseite, wo AI ständig auf hohen Potenzialen gehalten wird. Zahlreiche Beobachtungen haben bestätigt, dass das Al-Substrat in zyklierten Lithium-lonen-Zellen im vollgeladenen Zustand unter starker Lochfraßkorrosion leidet, was zu einer verkürzten Batteriezellen-Lebensdauer und nachlassender Kapazität führt. Da in Anbetracht der Energiedichte sehr dünne Al-Folien verwendet werden (bis zu 10 Mikrometer), kann gegebenenfalls die Lochfraßkorrosion zu einem vollständigen Zerfall und einer Fragmentierung führen. AI ist thermodynamisch instabil und hat ein Oxidationspotenzial von 1,39 V. Seine Stabilität in verschiedenen Anwendungen beruht auf der Bildung einer nativen Passivierungsschicht, die aus Al₂O₃ oder Oxyhydroxid und Hydroxid besteht. Diese Schutzschicht mit einer Dicke von etwa 50 nm stabilisiert AI nicht nur in verschiedenen nichtwässrigen Elektrolyten bei hohen Potenzialen, sondern macht die Al-Oberfläche auch beschichtungsfreundlich, da sie eine ausgezeichnete Haftung der Elektrodenmaterialien ermöglicht. Da jedoch eine mechanische Beschädigung der nativen Schicht (zum Beispiel versehentlicher Abrieb) während der Elektrodenbearbeitung und des Zellaufbaus oft unvermeidlich ist, hängt die insitu-Neubildung einer schützenden Oberflächenschicht in Lithium-Ionen-Zellen stark vom Elektrolyt ab.
Kupfer, das als Anodenmaterial verwendet wird, hat folgende Nachteile: Kupfer ist teuer und hat ein viel höheres Gewicht als Aluminiumfolie. Da es eine bessere Stabilität gegen Reduktion aufweist, wird es als Anodensubstrat verwendet. Normalerweise wird Kupfer in einer Stärke von etwa 10 Mikrometer verwendet. Die Tendenz geht in Richtung 6 Mikrometer. Die Beschichtung auf dieser Kupferfolie ist sehr schwierig, da sie Falten, Risse und Oberflächenfehler aufweist. Wenn die Zelle mit einer niedrigeren Spannung als der zulässigen unteren Entladespannung entladen wird, ist das Kupfer nicht mehr stabil gegen Reduktion. Es werden Elektronen absorbiert und negative Ionen gebildet. Diese negativen Ionen reagieren mit den Kationen des Elektrolytsalzes. Infolgedessen wird das Kupfer jedes Mal reduziert und bildet schließlich Risse. Es ist auch möglich, dass Elektrolyt aus Kupferrissen austritt. Während des Aufladens verbinden sich die Kupferionen wieder mit der Kupferfolie. Diese bilden jedoch Dendrite. Die Dendriten können den Separator durchstoßen und einen Kurzschluss verursachen. Kupfermaterial lässt sich nur schwer mit dem Laser schweißen, da sie sehr leitfähig sind und außerdem viel Laserlicht reflektieren. Es müssen nur spezielle Laser wie grüne Laser verwendet werden. Dies macht das Schweißen von Kupferstromabnehmern zu einem teuren und schwierigen Prozess. Kupfer neigt ferner mit der Zeit zur Oxidbildung. Kupferoxid hat eine viel geringere Leitfähigkeit als Kupfer. Daher wird die Leitfähigkeit der Zelle mit der Zeit abnehmen.
Aus der US 8 927 068 B2 ist ein Verfahren zur Variation einer Porosität eines in einer Lithium-lonen-Batterie verwendeten Elektrodenfilms bekannt. Aus der US 5 537 152 B2 ist ein Elektrodensubstrat für eine Lithium-Ionen-Batterie bekannt. Aus der US 20180205115 A ist eine weitere Lithium-Ionen-Batterie bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batteriezelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle bereit zu stellen, deren Funktionsfähigkeit im Vergleich zum Stand der Technik gesteigert ist. Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 sowie des Anspruches 5 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer Batteriezelle mit einem Elektrodenstapel aus. Im Elektrodenstapel ist zumindest eine Elektrode aus einem Elektrodensubstrat ausgebildet, das beidseitig mit Elektrodenaktivmaterial beschichtet ist. Gemäß dem kennzeichneten Teil des Anspruches 1 ist das Elektrodensubstrat komplett nicht metallisch und anstelle dessen aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial ausgebildet. Das erfindungsgemäße Elektrodensubstrat kann bevorzugt als zumindest ein Dreilagenaufbau ausgebildet sein, und zwar mit einer elektrisch leitfähigen oder nicht leitfähigen Polymer-Mittelschicht, die beidseitig mit einer leitfähigen Polymerdeckschicht überzogen ist. Zur Bereitstellung von elektrischer Leitfähigkeit können die Polymerschichten einen elektrischen leitfähigen Füllstoff, bevorzugt Kohlenstoff, aufweisen.
Erfindungsgemäß wird anstelle eines Metallsubstrats ein leitfähiges Polymermaterial als Substrat verwendet. Das verwendete Polymer kann dasselbe sein wie das Separatorpolymer, jedoch ohne Porosität. Beispielhaft kann das Substrata als eine dreilagige Polypropylenschicht realisiert sein. Die beiden äußeren Polypropylenschichten werden durch Zugabe von Kohlenstofffüllstoffen leitfähig gemacht. Die mittlere Schicht kann eine leitfähige oder nicht leitfähige Polypropylen- oder Polyethylenschicht sein.
Das erfindungsgemäße Elektrodensubstrat kann aus leitleitfähigen Polypropylenschichten hergestellt werden. Die äußere Polymerschicht ist zur besseren Haftung mit Mikrotexturen versehen. Die Textur wird nach dem Extrusionsprozess, dem Ausglühen und dem anschließenden Durchlaufen der Texturwalze hergestellt. Anschließend folgt ein Laminieren, bei dem eine leitende Polymerschicht mit einer mittleren Schicht (die isolierend oder leitend sein kann) verbunden wird. Beispielhaft können drei Schichten zusammenlaminiert werden, um ein Substrat zu bilden. Die mittlere Schicht kann eine Aluminiumoxidschicht enthalten, um die Steifigkeit und Durchstoßfestigkeit zu erhöhen. Das aktive Material wird auf das Substrat aufgetragen. Bei der Trockenbeschichtung können normale Polypropylen- und Polyethylenmaterialien verwendet werden. Bei der Nassbeschichtung findet ein Trocknungsprozess bei einer Temperatur von etwa 100°C statt. Bei dieser Temperatur wird die Polypropylenschicht weich und kann Falten bekommen. In diesem Fall benötigt man ein Polymer auf Silikonbasis. Silikonbasierte Polymere können bis zu 200°C aushalten. Bei der Beschichtung ist es ratsam, eine Grundierung aufzutragen und dann das aktive Material zu beschichten. Die Grundierung ist eine Kohlenstoffbeschichtung, die die Leitfähigkeit zwischen Substrat und aktivem Material erhöht. Nach der Beschichtung wird die Elektrode mit dem Polymersubstrat kalandriert. Die Aluminiumoxidschicht in der mittleren Schicht verleiht eine hohe Durchstoßfestigkeit. Die Elektrode wird geschlitzt und dann wird der Stromabnehmer auf dem Substrat eingekerbt. Hier wird vorzugsweise ein mechanisches Schlitzen und Einkerben verwendet. Anode, Separator und Kathode sind zusammen gestapelt. Der Stromabnehmer wird durch Ultraschallschweißen oder Kleben mit anderen Stromabnehmern verschweißt. Der Stapel mit dem geschweißten Stromabnehmer wird zum Beispiel in einen Pouchzellen-Folienbeutel gelegt. Die Pouch-Zelle wird mit dem Stromabnehmer versiegelt. Hier kann man die Pouch-Zelle direkt mit dem Stromabnehmer versiegeln, entweder durch Heißsiegeln oder durch Ultraschallschweißen oder durch Kleben. Normalerweise braucht man bei herkömmlichen Zellen eine Metalllasche, um sie mit dem Kupfer- oder Aluminiumkollektor zu verbinden. Diese Lasche ist hier nicht notwendig. Zum Schluss wird die Beutelzelle mit Elektrolyt gefüllt und dann aufgeladen.
Einen wesentlichen Kern der Erfindung betrifft die Herstellung eines leitfähigen Polymersubstrats mit Mikrostruktur. Die Beschichtung des aktiven Materials auf dem Substrat ist ebenfalls auf den nächsten Folien zu sehen. Der Rest des Prozesses ist derselbe wie der konventionelle Prozess. Das Ultraschallschweißen von Polymeren ist ebenfalls Stand der Technik. Anstelle des Ultraschallschweißens ist es vorzuziehen, Stromabnehmer durch Kleben zu verbinden. Auch hier ist der Klebstoff leitfähig. Das Ultraschallschweißen wird weniger bevorzugt, da die mit Aluminiumoxid beschichtete Mittelschicht das Schweißen erschwert. Die Versiegelung des Beutels mit dem Stromabnehmer kann als herkömmliche Heißversiegelung erfolgen. Zusätzlich ist auch eine Verklebung zwischen Beutel und Stromabnehmer möglich. Hier ist es wichtig, dass der Klebstoff isolierend ist. Normalerweise haben Beutel eine PP-Schicht, die dem Stromabnehmer ähnlich ist. Der einzige Unterschied ist, dass das PP im Beutel nicht leitfähig ist. Es ist möglich, dass Metalllaschen oder Metallstreifen, zum Beispiel auf Nickelbasis, für die Anode und Aluminiumstreifen für die Kathode verwenden (ähnlich wie bei herkömmlichen Li-lonen-Akkus), die mit einem Polymer-Stromabnehmer verbunden werden. Dieser wird dann mit anderen zu einem Modul verbunden. Die Metalllasche bietet eine gute Festigkeit und wird mit dem Polymer-Stromabnehmer durch Kleben oder Ultraschallschweißen verbunden. Wobei das Kleben bevorzugt wird. Das aktive Anoden- und Kathodenmaterial ist auf einer Polymerfolie von etwa 50 Mikrometer beschichtet, und zwar anstelle von Kupfer- und Aluminiumfolie. Die Polymerfolie wird durch Zugabe von leitfähigem Kohlenstoff während der Herstellung leitfähig gemacht.
Das erfindungsgemäße Polymersubstrat besteht aus mindestens drei oder mehr Schichten. Die mittlere Schicht kann ein Isolator sein und Aluminiumoxid als Füllstoff für hohe Durchstoßfestigkeit und Steifigkeit enthalten. Das Polymer kann aus Polypropylen, Polyethylen, Silikon, PvdF, Acryl oder Teflon bestehen. Es können alle Polymere verwendet werden, die eine hohe Oxidationsbeständigkeit bis 5V bieten und etwa 90°C ohne thermische Beeinträchtigung aushalten. Die mittlere Schicht kann leitfähig sein. In diesem Fall bilden alle diese Schichten zusammen ein leitfähiges Substrat. Wenn die mittlere Schicht isolierend ist, fungieren die obere und untere Schicht als Substrat und bilden unabhängige Monozellen. Auf der Oberfläche des Polymersubstrats werden Mikrostrukturen geschaffen, die eine bessere Haftung des aktiven Materials ermöglichen. Das aktive Material wird entweder durch Trockenbeschichtung oder durch Nassbeschichtung auf das Polymer aufgebracht. Wichtig ist, dass die Trocknungstemperatur zur Entfernung des Lösungsmittels unter der Erweichungstemperatur des Polymers liegen sollte. Die trockene Beschichtungstechnik ist vorzuziehen. Die Stromabnehmerbereiche des Polymersubstrats werden durch Ultraschallschweißen oder Kleben miteinander verbunden. Das Kleben wird bevorzugt. Der verwendete Klebstoff ist leitfähiges Acryl, Silikon oder Epoxid. Die Klebeverbindung wird nach der Reinigung des Polymers mit Ultraschall aufgetragen. Der Stromabnehmerbereich wird dann später mit einer metallischen Lasche oder einer Lasche aus leitfähigem Polymer verschweißt oder verklebt. Die leitfähige Polymer- oder Metalllasche wird später mit anderen Laschen verbunden, um ein Zellenmodul herzustellen. Polymer hat im Vergleich zu Metall einen viel höheren Oxidationswiderstand an der Kathode und einen höheren Reduktionswiderstand an der Anode. Ein Polymersubstrat kann die Verwendung des Elektrolytsalzes LiFSi ermöglichen. Dadurch wird eine bessere Hochtemperatur und Leitfähigkeit der Zelle erreicht. LifSi-Salz ist sehr korrosiv für Aluminium und wird daher in der Gegenwart nicht verwendet.
Erfindungsgemäß besteht keine Gefahr der Kupferreduktion an der Anode und somit kein Problem des Austretens von Elektrolyt durch die Anode bei niedrigem Entladepotential. Zudem besteht keine Gefahr der Bildung von Kupferdendriten. Kohlenstofffasern können ein Polymer ähnlich leitfähig machen wie das aktive Material, so dass die effektive Leitfähigkeit der Zelle nicht verloren geht. Polymer ist billig, leicht zu recyceln und hat ein geringes Gewicht. Dadurch werden Kosten und Gewicht der Zelle gesenkt. Zudem ist Polymer elastisch und kann daher während der Beschichtung gedehnt werden, was Faltenprobleme reduziert. Die vorgeschlagenen Polymere können Temperaturen von 90°C oder mehr ohne thermische Schrumpfung standhalten. Ein Polymer mit Mikrostruktur kann dazu beitragen, dass aktives Material gut haftet. Dadurch wird das Problem der Delamination verringert. Ein Polymer hat mindestens drei Schichten. Wenn die mittlere Schicht als Isolator ausgeführt werden kann, ist jeder Stapel unabhängig von den anderen. Das bedeutet, dass eine Zelle eine Ansammlung vieler Einzelzellen ist und jede Einzelzelle elektrisch voneinander getrennt ist. Dies hat den Vorteil, dass jeder Stapel in der Zelle unterschiedliche Eigenschaften haben kann und unabhängig von anderen Stapeln funktioniert. Die Aluminiumoxidschicht in der Mittelschicht kann die Steifigkeit des Substrats erhöhen. Das Polymersubstrat ist chemisch inert gegenüber Elektrolytsalzen und Lösungsmitteln (auch bei erhöhter Temperatur). Das Polymersubstrat kann leicht mit dem Beutel durch Heißsiegeln oder durch Kleben verbunden werden (zweifellos müssen wir hier einen nicht leitenden Klebstoff verwenden). Die Zelle kann bei viel höherer Spannung (5V oder mehr) betrieben werden, ohne dass eine Oxidation des Substrats zu befürchten ist.
Nachfolgend werden Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: Im Hinblick auf eine Funktionsfähigkeit der Batteriezelle ist es von relevantes, dass die Deckschichten des Elektrodensubstrats mit hoher Verbindungsfestigkeit dauerhaft an der Polymermittelschicht des Elektrodensubstrats angebunden bleiben. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn das Elektrodensubstrat, das heißt dessen Deckschichten, außenseitig zur Steigerung einer Haftverbindungsfestigkeit mit dem Elektrodenaktivmaterial mit einer Oberflächenmikrostruktur versehen sind, die eine verbesserte Formschlussverbindung zwischen dem Elektrodenaktivmaterial und dem Elektrodensubstrat bereitstellt. Alternativ und/ oder zusätzlich können die Deckschichten des Elektrodensubstrates außenseitig mit einer leitfähigen Grundierungsschicht beschichtet sein. Mit Hilfe der Grundierungsschicht kann die elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Elektrodensubstrat und dem Elektrodenaktivmaterial erhöht werden. Bevorzugt kann die Grundierungsschicht als elektrisch leitfähiger Füllstoff Kohlenstoff aufweisen.
Im zusammengebauten Elektrodenstapel sind in gängiger Praxis die Elektrodensubstrate jeweils an einer Kathodenseiten und an einer Anodenseite mit seitlichen Ableiterfähnchen materialeinheitlich und ein stückig verlängert. Diese sind jeweils in einem Fügeschritt zu einem kathodenseitigen Ableiter und zu einem anodenseitigen Ableiter zusammengeführt. Entsprechend ist der kathodenseitige Ableiter und der anodenseitige Ableiter komplett aus Polymermaterial ausgebildet, das gegebenenfalls nur eine reduzierte Formstabilität aufweist, wodurch sich gegebenenfalls in weiteren Bearbeitungsschritten Nachteile ergeben können. Vor diesem Hintergrund kann der kathodenseitige Ableiter und der anodenseitige Ableiter mit einer formstabileren Metalllasche verlängert sein. Die kathodenseitige Metalllasche und die anodenseitige Metalllasche können im Zusammenbauzustand der Batteriezelle durch deren Zellgehäuse nach Gehäuse außen geführt sein, um einen externen Stromabgriff zu ermöglichen.
In einer technischen Umsetzung kann die Polymermittelschicht des Elektrodensubstrats als Füllstoff Al₂O₃ aufweisen. Auf diese Weise ist der Polymermittelschicht eine gesteigerte Festigkeit verliehen.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle kann in der nachfolgend beschriebene Prozessabfolge hergestellt werden: demnach erfolgt zunächst ein Extrusion Schritt, bei dem eine Mittelschicht-Endlosbahn sowie zwei Deckschicht-Endlosbahnen bereitgestellt werden. Die Endlosbahn werden einer Wärmebehandlung unterworfen. Danach folgt eine Lamination, bei der die beiden Deckschicht-Endlosbahnen und die zwischen geordnete Mittelschicht Endlosbahn zu einer Elektrodensubstrat-Endlosbahn zusammengefügt werden. Um eine Beschädigung der Elektrodensubstrat-Endlosbahn zu vermeiden, kann diese im Laminationsschritt zwischen zwei äußeren Trägerbahnen verlaufen.
Anschließend folgt ein Beschichtungsschritt, bei dem die Elektrodensubstrat-Endlosbahn beidseitig mit Elektroden Aktivmaterial beschichtet wird, und zwar unter Bildung einer Elektrodensubstrat-Endlosbahn. Die Elektrodensubstrat-Endlosbahn wird in einem Beschnittschritt zu einzelnen Elektroden abgelenkt und zugeschnitten.
Gemäß einem wesentlichen Erfindungsaspekt ist dem Beschichtungsschritt prozesstechnisch ein Strukturierschritt vorgelagert. Im Strukturierschritt wird auf die beiden Außenseiten der Elektrodensubstrat-Endlosbahn eine Mikrostruktur aufgeprägt. Mittels der auf die Elektrodensubstrat-Endlosbahn aufgeprägten Mikrostruktur kann eine Haftverbindungsfestigkeit zwischen der Elektrodensubstrat-Endlosbahn und dem Elektrodenaktivmaterial gesteigert werden.
Bevorzugt kann im Strukturierschritt die Elektrodensubstrat-Endlosbahn durch einen Klemmspalt eines Walzenpaars geführt werden, die aus zwei Prägewalzen besteht. Die beiden Prägewalzen können am Außenumfang eine Negativform der aufzuprägenden Mikrostruktur aufweisen. Im Strukturierschritt wirken die beide Prägewalzen mit einer vordefinierten Prägekraft auf die zwischen geordnete Elektrodensubstrat-Endlosbahn ein. Im Hinblick auf einen wirkungsvollen Prägevorgang ist es bevorzugt, wenn die zwischen geordnete Elektrodensubstrat-Endlosbahn nicht kontinuierlich mit konstanter Prägekraft beaufschlagt wird, sondern viel mehr die Walzen in Vibrationsbewegung auf die zwischen geordnete Elektrodensubstrat-Endlosbahn einwirken.
Nach Abschluss des Beschnittschrittes, das heißt nach Fertigstellung der Elektroden folgt ein Stapelschritt in dem die Elektroden mit zwischen geordneten Separatoren wechselweise übereinander zum Elektrodenstapel gestapelt werden. Von der Kathodenseite des Elektrodenstapels ragen jeweils Kathoden-Ableiterfähnchen ab, während von der Anodenseite des Stapels jeweils Anoden-Ableiterfähnchen abragen. Die Ableiterfähnchen der Kathodenseite sowie der Ableiterfähnchen der Anodenseite werden in einem nachgeschaltetem Fügeschritt jeweils zu einem Kathoden-Ableiter und zu einem Anoden-Ableiter zusammengeführt. Der Fügeschritt erfolgt beispielhaft durch Ultraschallschweißen oder bevorzugt durch einen Klebeprozess.
Ein prozesssicherer Klebeprozess kann die folgenden beiden Teilschritte aufweisen, nämlich eine Reinigungs-Teilschritt und einen Klebeschritt. Im Reinigungs-Teilschritt werden die Ableiter Fähnchen bevorzugt durch Ultraschaltreinigung in einem Ultraschaltbad aus den destilliertem Wasser mit alkalischem Lösungsmittel gereinigt. Im folgenden Klebeschritt werden die kathodenseitigen und anodenseitigen Ableiter Fähnchen jeweils in einem Heißtauchverfahren zusammen gefügt. In dem Heißtauchverfahren werden die Ableiter Fähnchen in ein Schmelzbad aus geschmolzenem Klebemittel eingetaucht. Anschließend wird der so erzeugte Klebverbund ausgehärtet.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 und 2 jeweils unterschiedliche Ansichten einer Batteriepouchzelle;
3 in einer vergrößerten Detailansicht den Aufbau einer Elektrode aus dem Elektrodenstapel der Batteriepouchzelle;
4 bis 10 jeweils unterschiedliche Ansichten, die eine Prozessabfolge zur Herstellung der in den 1 und 2 gezeigten Batteriepouchzelle veranschaulichen.

In der 1 ist eine Batteriepouchzelle in Schnittdarstellung gezeigt. Das Zellgehäuse der Batteriepouchzelle weist zwei Gehäuseschalen 1 aus tiefgezogenem Folienmaterial auf. Die beiden Gehäuseschalen 1 weisen randseitig Gehäuseflansche 3 auf, die einer Fügeebene F zum Beispiel in einem Heißsiegelverfahren miteinander verbunden sind.
Im Zellgehäuse der Batteriepouchzelle ist ein Elektrodenstapel 5 angeordnet. Dieser weist wechselweise übereinander gestapelte Anoden A und Kathoden K mit zwischengeordneten Separatoren S auf. Ein Kern der Erfindung betrifft den Schichtaufbau der Anode A beziehungsweise der Kathode K. Dieser ist in der 3 beispielhaft anhand einer Anode A beschrieben: Demnach weist die Anode A ein Elektrodensubstrat 7 auf, das beidseitig mit Anodenaktivmaterial 9 beschichtet ist. Das Elektrodensubstrat 7 ist komplett nichtmetallisch als ein Dreilagenaufbau ausgebildet. Der Dreilagenaufbau des Elektrodensubstrats 7 weist eine elektrisch nicht leitfähige Polymermittelschicht 11 auf, die beidseitig mit einer leitfähigen Polymerdeckschicht 13 überzogen ist. Zur Bereitstellung von elektrischer Leitfähigkeit weisen die Polymerdeckschichten 13 als elektrisch leitfähigen Füllstoff Kohlenstoff auf.
Gemäß der 3 ist das Elektrodensubstrat 7 außenseitig mit einer leitfähigen Grundierungsschicht 15 mit einem Füllstoff aus Kohlenstoff beschichtet. Die Grundierungsschicht 15 erhöht eine elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Elektrodensubstrat 7 und dem Elektrodenaktivmaterial 9. Zudem sind die beiden gegenüberliegenden Außenseiten des Elektrodensubstrats 7 mit einer Oberflächenmikrostruktur 17 versehen, mittels der eine Haftverbindungsfestigkeit zwischen dem Elektrodenaktivmaterial 9 und dem Elektrodensubstrat 7 gesteigert ist. In der 3 ragt das Elektrodensubstrat 7 unter Bildung eines Anoden-Ableiterfähnchens 19 mit einem Überstand x seitlich über das Elektrodenaktivmaterial 9 hinaus. In gleicher Weise sind auch die Kathoden K mit einem entsprechenden Kathoden-Ableiterfähnchen 21 seitlich nach außen verlängert. Die Ableiterfähnchen 19, 21 sind in den 1 und 2 zu einem Anoden-Ableiter 23 und zu einem Kathoden-Ableiter 25 zusammengefügt.
Gemäß der 1 ist der Elektrodenstapel 5 zusammen mit dem Anoden-Ableiter 23 und dem Kathoden-Ableiter 25 im Zellgehäuseinneren positioniert. Die beiden Ableiter 23, 25 sind an einer Fügestelle 27 jeweils mit Metalllaschen 29 verlängert, die über die Siegelnaht hinaus nach gehäuseaußen abragen. Wie aus der 3 weiter hervorgeht, weist das Polymermaterial der Polymermittelschicht 11 als Füllstoff 30 Aluminiumoxid auf, mit dem die Festigkeit des Elektrodensubstrats 7 erhöht wird.
Nachfolgend wird anhand der 4 bis 10 ein Verfahren zur Herstellung der in der 1 bis 3 gezeigten Batteriezelle beschrieben: Demzufolge erfolgt gemäß dem Blockschaltdiagramm der 4 zunächst ein Extrusionsschritt, bei dem eine Mittelschicht-Endlosbahn 31 (5b) sowie zwei Deckschicht-Endlosbahnen 33 (5b) bereitgestellt werden. Die Endlosbahnen 31, 33 werden einer Wärmebehandlung unterworfen. Anschließend erfolgt ein Laminationsschritt, bei dem die Mittelschicht-Endlosbahn 31 sowie die beiden Deckschicht-Endlosbahnen 33 zu einer Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 (5a oder 5b) zusammengefügt werden.
Die Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 wird einem Strukturierschritt unterworden. Dieser wird gemäß den 5a bis 5c mit Hilfe eines Walzenpaars durchgeführt, dessen beide Prägewalzen 37 einen Klemmspalt bilden, durch den die Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 geführt wird. Die beiden Prägewalzen 37 weisen am Außenumfang eine Negativform 38 (5c) der aufzuprägenden Oberflächenmikrostruktur 17 auf. In den 5a und 5b wirken die beiden Prägewalzen 37 mit einer Prägekraft F (5b) auf die zwischengeordnete Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 ein. Die beiden Prägewalzen 37 beaufschlagen dabei die zwischengeordnete Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 in einer Vibrationsbewegung V (5a). Um eine Beschädigung der Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 zu vermeiden, befindet sich die Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 zwischen zwei Trägerfolien 36, die nur in der 5a gezeigt sind sowie in der 5b weggelassen sind.
Anschließend erfolgt ein Beschichtungsschritt gemäß der 6, bei dem die Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 in einer Trockenbeschichtung mit dem Elektrodenaktivmaterial 9 beschichtet wird. Die Trockenbeschichtung wird gemäß der 6 mit einem Walzenpaar aus zwei Beschichtungswalzen 39 durchgeführt, durch deren Klemmspalt die Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 geführt wird, und zwar vertikal von oben nach unten. Oberhalb der beiden Beschichtungswalzen 39 sind Dosiereinheiten 41 vorgesehen, die das Elektrodenaktivmaterial 9 ohne Lösungsmittel dem Klemmspalt zuführen. Der so gebildete Lagenaufbau wird in einem nachgeschalteten Kalandrierschritt zwischen Kalanderwalzen 43 kalandriert, um das Elektrodenaktivmaterial 9 zu verdichten.
In der 7 ist eine Trockenbeschichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Demnach wird die Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 in einer Fertigungsrichtung FR an einer ersten Venturidüse 46 vorbeigeführt, mittels der eine Seite der Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 mit dem Elektrodenaktivmaterial 9 beschichtet wird. Die einseitig beschichtete Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 wird mittels Umlenkwalzen 47 in gegenläufiger Richtung umgelenkt, sodass die noch unbeschichtete Seite der Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 nach oben zeigt. Diese wird an einer zweiten Venturidüse 46 vorbeigeführt, die die noch unbeschichtete Seite der Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 beschichtet. Der so gebildete Lagenaufbau wird mit Hilfe von Kalanderwalzen 43 kalandriert.
In der 8 ist in einer alternativen Prozessführung der Beschichtungsschritt als eine Nassbeschichtung realisiert. Demnach wird die Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 an oberen und unteren Dosiereinheiten 48 vorbeigeführt. Mit deren Hilfe wird eine flüssige Ausgangskomponente des Elektrodenaktivmaterials 9 beidseitig auf die Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 aufgetragen. Die beschichtete Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 wird durch eine Trockenstation 49 geführt, in der eine Trocknung mit Hilfe von Heißluftdüsen 51 durchgeführt wird.
Die Prozesstemperatur innerhalb der Trockenstation 49 muss so bemessen sein, dass einerseits eine Verdampfung des Lösungsmittels erfolgt, andererseits jedoch ein Aufweichen des Polymermaterials vermieden wird. Vor diesem Hintergrund sind Temperaturen im Bereich von 90°C bevorzugt. Zudem sollte die Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 ausreichend mit Spannung in Zugrichtung beaufschlagt sein, um eine thermisch bedingte Schrumpfung zu verhindern. Nach erfolgter Trocknung wird die beschichtete Elektrodensubstrat-Endlosbahn 35 auf einer Aufwickelrolle 53 aufgewickelt.
Im weiteren Prozessverlauf folgt ein Beschnittschritt, bei dem die Elektroden-Endlosbahn 55 zu einzelnen Elektroden, das heißt zu Anoden A bzw. Kathoden K, abgelängt und zugeschnitten wird. Nach Abschluss des Beschnittschrittes wird ein Stapelschritt durchgeführt, in dem die Elektroden A, K sowie Separatoren S wechselweise übereinander zum Elektrodenstapel 5 gestapelt werden.
Wie bereits erwähnt ragen jeweils von der Kathodenseite und von der Anodenseite des Stapels 5 Ableiterfähnchen 19, 21 ab. Diese werden in einem Fügeschritt zum Anoden-Ableiter 23 und zum Kathoden-Ableiter 25 zusammengefügt. Der Fügeschritt kann als ein Klebeprozess realisiert sein. Dieser besteht gemäß den 9 und 10 aus einem Reinigungs-Teilschritt ( 9) und einem Klebeschritt (10). Der Reinigungs-Teilschritt (9) wird mit Hilfe eines Ultraschallbads 57 durchgeführt, das aus destilliertem Wasser sowie alkalischem Lösungsmittel für die Oxidreinigung besteht. In dem Ultraschallbad 57 sind Reinigungsrollenbürsten 59 angeordnet, die sich durch den Kontakt von vorbeibewegenden Ableiterfähnchen 19, 21 drehen. Zudem ist ein Ultraschallgenerator 61 im Ultraschallbad 57 angeordnet, der zum Beispiel mit einer Frequenz von 40kHz arbeitet.
Während des Reinigungsschrittes wird der Elektrodenstapel 5 mit Hilfe von Greifern 63, 65 hochkant entlang einer Führungsplatte 67 über das Ultraschallbad 57 geführt, und zwar in einer horizontalen Prozessrichtung P. Zunächst werden die unteren Ableiterfähnchen 19 des Elektrodenstapels 5 in das Ultraschallbad 57 eingetaucht und an den Reinigungsrollenbürsten 59 vorbeibewegt. Nach erfolgter Reinigung der unteren Ableiterfähnchen 19 drehen die Greifer 63,. 68 den Elektrodenstapel 5 um 180°, sodass das gegenüberliegende Ableiterfähnchen 21 in das Ultraschallbad 57 eintaucht und ebenfalls an den Reinigungsrollenbürsten 59 vorbeibewegt wird. Das Ultraschallbad 57 ist an seiner Oberseite mit einem Deckel 67 abgedeckt, der einen Längsschlitz aufweist, durch den die Ableiterfähnchen 19, 21 in das Ultraschallbad 57 eintauchen können. Während des Reinigungsschrittes und des Klebeschrittes befindet sich der Elektrodenstapel 5 in einer Schützhülle 60.
Anschließend erfolgt der Klebeschritt (10). Dieser wird mittels eines Schmelzbades 69 durchgeführt, in dem ein Klebemittel mit Hilfe von Heizelementen 71 auf zum Beispiel 100°C aufgeschmolzen wird. Beim Klebeschritt wird der Elektrodenstapel 5 ebenfalls mittels Greifer 63, 65 hochkant entlang einer Führungsplatte 67 über das Schmelzbad 69 in einer horizontalen Prozessrichtung P geführt. Zunächst werden die unteren Ableiterfähnchen 19 des Elektrodenstapels 5 in das Schmelzbad 69 getaucht. Anschließend drehen die Greifer 63, 65 den Elektrodenstapel 5 um 180°, sodass die gegenüberliegenden Ableiterfähnchen 21 in das Schmelzbad 69 eintauchen. Der jeweils hergestellte Klebverbund wird anschließend in einer Kühleinheit 71 gekühlt, und zwar bis auf Raumtemperatur mit Hilfe von Kühlplatten. Im weiteren Prozessverlauf folgt eine Gasdruck-Station 73, bei der der Klebverbund (zur Reinigung) mit einer Gasströmung beaufschlagt wird. Die Gas-Abströmung wird mit Hilfe einer Saugeinheit 75 abgezogen. Der so fertiggestellte Elektrodenstapel 5 wird anschließend in eine tiefgezogene Gehäuseschale 1 des Zellgehäuses der Batteriezelle eingelegt.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuseschalen
3: Gehäuseflansch
5: Elektrodenstapel
7: Elektrodensubstrat
9: Elektrodenaktivmaterial
11: Polymermittelschicht
13: Polymerdeckschicht
15: Grundierungsschicht
17: Oberflächenmikrostruktur
19, 21: Elektroden-Ableiterfähnchen
23, 25: Elektroden-Ableiter
27: Fügestelle
29: Metalllasche
30: Al₂O₃-Füllstoff
31: Mittelschicht-Endlosbahn
33: Deckschicht-Endlosbahn
35: Elektrodensubstrat-Endlosbahn
37: Prägewalzen
38: Negativform der Oberflächenmikrostruktur
39: Beschichtungswalzen
41: Dosiereinheiten
43: Kalanderwalzen
46: Venturidüsen
47: Umlenkwalzen
48: Dosiereinheiten
49: Trockenstation
51: Heißluftdüsen
53: Aufwickelrolle
55: Elektroden-Endlosbahn
57: Ultraschallbad
59: Reinigungsrollenbürsten
60: Schutzhülle
61: Ultraschallgenerator
63, 65: Greifer
67: Führungsplatte
68: Deckel
69: Schmelzbad
71: Kühleinheit
73: Gasdruckstation
75: Saugeinheit
A: Anode
K: Kathode
S: Separator
FR: Fertigungsrichtung
P: Prozessrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8927068 B2 [0005]
US 5537152 B2 [0005]
US 20180205115 A [0005]

Claims

Batteriezelle mit einem Elektrodenstapel (5), in dem zumindest eine Elektrode (A, K) aus einem Elektrodensubstrat (7) ausgebildet ist, das beidseitig mit Elektrodenaktivmaterial (9) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodensubstrat (9) nichtmetallisch ist und aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial ausgebildet ist, und dass insbesondere das Elektrodensubstrat (7) als zumindest ein Dreilagenaufbau ausgebildet ist, mit einer mittleren, elektrisch leitfähigen oder nichtleitfähigen Polymerschicht (11), die beidseitig mit einer leitfähigen Polymerdeckschicht (13) überzogen ist, und/oder dass zur Bereitstellung von elektrischer Leitfähigkeit die Polymerschichten (11, 13) einen elektrisch leitfähigen Füllstoff, insbesondere Kohlenstoff, aufweisen.
Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten (13) des Elektrodensubstrats (7) jeweils außenseitig zur Steigerung einer Haftverbindungsfestigkeit mit dem Elektrodenaktivmaterial (9) mit einer Oberflächenstruktur (17) versehen sind, und/oder dass die Deckschichten (13) des Elektrodensubstrates (7) außenseitig mit einer leitfähigen Grundierungsschicht (15), insbesondere mit Kohlenstoff, beschichtet wird, die eine elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Elektrodensubstrat (7) und dem Elektrodenaktivmaterial (9) erhöht.
Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Elektrodenstapel (5) die Elektrodensubstrate (7) an einer Kathodenseite und an einer Anodenseite mit seitlichen Ableiterfähnchen (19, 21) verlängert sind, die jeweils zu einem kathodenseitigen Ableiter (25) und zu einem anodenseitigen Ableiter (23) zusammengefügt sind, und dass insbesondere der aus Polymer ausgebildete Ableiter (23, 25) jeweils mit einer formstabileren Metalllasche (29) verlängert ist, der durch das Zellgehäuse der Batteriezelle nach gehäuseaußen geführt ist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermittelschicht (11) des Elektrodensubstrates (7) als Füllstoff (30) Al₂O₃ aufweist, mit dem eine gesteigerte Festigkeit der Polymermittelschicht (11) bewirkt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem ein Elektrodensubstrat (7) einer Elektrode (A, K) eines Elektrodenstapels (5) der Batteriezelle nichtmetallisch ist und aus elektrisch leitfähigem Polymer ausgebildet ist, und dass insbesondere das Elektrodensubstrat (7) zumindest als Dreilagenaufbau aus einer elektrisch leitfähigen oder nicht leitfähigen Polymermittelschicht (11) ausgebildet wird, die beidseitig mit leitfähigen Polymerschichten (13) überzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (A, K) in einer Prozessabfolge hergestellt wird, in der in einem Extrusionsschritt eine Mittelschicht-Endlosbahn (31) sowie zwei Deckschicht-Endlosbahnen (33) bereitgestellt werden, in einem Laminationsschritt die Mittelschicht-Endlosbahn (31) und die beiden Deckschicht-Endlosbahnen (33) zu einer Elektrodensubstrat-Endlosbahn (35) zusammengefügt werden, in einem Beschichtungsschritt die Elektrodensubstrat-Endlosbahn (35) beidseitig mit Elektrodenaktivmaterial (9) beschichtet wird, und zwar unter Bildung einer Elektroden-Endlosbahn (55), in einem Beschnittschritt die Elektroden-Endlosbahn (55) zu einzelnen Elektroden (A, K) abgelängt und zugeschnitten wird, und dass insbesondere prozesstechnisch vor dem Beschichtungsschritt ein Strukturierungsschritt erfolgt, in dem auf die Außenseiten der Elektrodensubstrat-Endlosbahn (35) eine Oberflächenstruktur (17) aufgeprägt wird, mittels der eine Haftverbindungsfestigkeit zwischen der Elektrodensubstrat-Endlosbahn (35) und dem Elektrodenaktivmaterial (9) gesteigert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Strukturierungsschritt die Elektrodensubstrat-Endlosbahn (35) durch einen Klemmspalt eines Walzenpaars geführt wird, dessen beiden Walzen (37) am Außenumfang eine Negativform (38) der aufzuprägenden Oberflächenstruktur (17) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Walzen (37) mit einer Prägekraft (F) auf die zwischengeordnete Elektrodensubstrat-Endlosbahn (35) einwirken, und dass insbesondere die beiden Walzen (37) in Vibrationsbewegung (V) die zwischengeordnete Elektrodensubstrat-Endlosbahn (35) beaufschlagen.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des Beschnittschrittes ein Stapelschritt erfolgt, in dem die Elektroden (A, K) und Separatoren (S) wechselweise übereinander zum Elektrodenstapel (5) gestapelt werden, und dass von dem Elektrodenstapel (5) jeweils anodenseitige und kathodenseitige Ableiterfähnchen (19, 21) abragen, und dass in einem Fügeschritt die Ableiterfähnchen (21) der Kathodenseite und die Ableiterfähnchen (19) der Anodenseite jeweils zu Elektroden-Ableiter (23, 25) zusammengefügt werden, und zwar insbesondere mittels Ultraschallschweißen oder durch einen Klebeprozess.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebeprozess aus den folgenden Teilschritten besteht, nämlich einem Reinigungs-Teilschritt, in dem die Ableiterfähnchen (19, 21) insbesondere durch Ultraschallreinigung gereinigt werden, und in einem Klebeschritt, in dem jeweils die kathodenseitigen Ableiterfähnchen (21) und die anodenseitigen Ableiterfähnchen (19) in einem Heißtauschverfahren zusammengefügt werden, in dem die Ableiterfähnchen (19, 21) in ein Schmelzbad (69) aus geschmolzenem Klebemittel eingetaucht werden und anschließend der erzeugte Klebeverbund ausgehärtet wird.