DE102021212617B3

DE102021212617B3 - Verfahren zur Fertigung einer Batteriepouchzelle

Info

Publication number: DE102021212617B3
Application number: DE102021212617.0A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-11-09
Filing date: 2021-11-09
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2041-11-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer Batteriepouchzelle mit einem Zellgehäuse (1) mit darin angeordnetem Elektrodenstapel (3), das die folgenden Prozessschritte aufweist: Bereitstellung eines Gehäuse-Zwischenprodukts (11) bestehend aus dem Zellgehäuse (1) und einer Gastasche (13); Elektrolytbefüllung, bei der ein Elektrolyt (E) über eine Befüllöffnung (17) im Gehäuse-Zwischenprodukt (11) in das Zellgehäuse (1) gefüllt wird; Formation, bei der erste Lade- und Entladevorgänge durchgeführt werden, wodurch unter Aufbrauch von Elektrolyt (E) sich Gas (G) bildet, das aus dem Zellgehäuse (1) entweicht und in der Gastasche (13) gesammelt wird; Aging, bei dem das Gehäuse-Zwischenprodukt (11) über eine Agingdauer gelagert wird, wodurch unter Aufbrauch von Elektrolyt (E) sich Gas (G) bildet; und Versiegeln der Befüllöffnung (17) im Gehäuse-Zwischenprodukt (11). Erfindungsgemäß erfolgt zum Ausgleich des bei der Gasbildung aufgebrauchten Elektrolyts (E) nach dem Aging ein Nachfüllschritt, bei dem Elektrolyt (E) in das Zellgehäuse (1) nachgefüllt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer Batteriepouchzelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei einer Fertigung einer Batteriepouchzelle wird ein Elektrodenstapel in ein Zellgehäuse eingebracht, das aus tiefgezogenem Folienmaterial besteht. Dabei werden die Ableiterfolien der Anoden und Kathoden im Elektrodenstapel mit den Zellableitern kontaktiert, die nach gehäuseaußen geführt sind. Danach erfolgt eine Elektrolytbefüllung, bei der ein Elektrolyt über eine Befüllöffnung in das Zellgehäuse gefüllt wird. Die Befüllöffnung des Zellgehäuses wird anschließend zum Beispiel in einem Heißsiegelverfahren versiegelt. Im weiteren Prozessverlauf wird eine Formation und ein Agingprozess durchgeführt.
Normalerweise wird der Elektrolyt vor der Formation in die Pouchzelle gefüllt. Im Zellgehäuse-Inneren reagiert der Elektrolyt sowohl an der Anode als auch an der Kathode und bildet eine feste Elektrolyt-Grenzfläche an Anode und Kathode, und zwar eine Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) an der Anode und eine Kathoden-Elektrolyt-Grenzfläche (CEI) an der Kathode. Elektrolytlösungsmittel (hauptsächlich lineare und zyklische Karbonate wie DMC, DEC und EC) und Lithiumsalz (LiFP6) werden zur Bildung dieser Festelektrolyt-Grenzfläche aufgebraucht. Der Elektrolyt wird dabei teilweise in Gas umgewandelt und sammelt sich im Zellgehäuse-Inneren. All dies führt zu einer Verringerung des Elektrolyt- und Salzgehalts in der Pouchzelle. Es gibt derzeit keine Möglichkeit, der Pouchzelle wieder Elektrolyt zuzuführen, um diesen Verlust auszugleichen. Dies führt zu einer permanenten Abnahme der Kapazität der Pouchzelle. Einerseits führt die Bildung von SEI zu einer Abnahme des Lithiumsalzes, das zur Bildung von SEI aufgebraucht wird. Andererseits wird Gas erzeugt. Die SEI-Bildung führt zu einer Elektrolyt-Trocknung und zur Verringerung des Lithiumsalzgehalts. Wenn die CEI nicht vollständig gebildet wird, oxidiert der Elektrolyt und erzeugt Kohlendioxid. Ein Aufbrechen von CEI und die erneute Bildung von CEI führt ebenfalls zu einer Gasbildung und Elektrolyt-Trocknung.
Bei dem herkömmlichen Verfahren wird der Elektrolyt in die Pouchzelle gefüllt. In der Pouchzelle befindet sich eine Gastasche. Anschließend wird die Zelle formatiert. Während der Formation wird ein Teil des Elektrolyts in Gas umgewandelt und werden Lithiumsalze des Elektrolyts zur Bildung von SEI und CEI teilweise aufgebraucht. Das gebildete Gas wird in der Gastasche gesammelt. Die Gastasche mit dem darin gesammelten Gas wird in einer folgenden Schneidoperation von dem Zellgehäuse abgeschnitten. Die Pouchzelle wird im weiteren Prozessverlauf dem Agingprozess zugeführt. Die Zelle ist während des Agingprozesses vollständig geschlossen. Während des Agingprozesses wird die Schichtbildung von SEI und CEI abgeschlossen. Das bedeutet, dass während des Agingprozesses etwas Gas entsteht. Das während des Agingprozesses entstehende Gas wird im Stand der Technik nicht entfernt, sondern bleibt im Inneren der Zelle eingeschlossen. Auch der Anteil des Elektrolyts, der getrocknet und in Gas umgewandelt wird, wird nicht nachgefüllt. Das bedeutet, dass die Pouchzelle weniger Elektrolyt als für einen optimalen Zellbetrieb erforderlich enthält.
Wenn während des Agingprozesses noch Feuchtigkeit in der Zelle vorhanden ist, wird das Wasser zu Wasserstoffionen und Sauerstoffionen aufgespaltet. Die Ionen reagieren mit Ethylencarbonat und bilden Kohlendioxid und Ethylenglykol. Aus den Wasserstoffionen wird Wasserstoffgas erzeugt. Ethylencarbonat wird reduziert. Dadurch wird die Leistung der Zelle verringert.
Im Stand der Technik erfolgt daher bei der Elektrolytbefüllung eine Zugabe von überschüssigem Elektrolyt. Der Gehalt an Lithiumsalz (LiPF6) im Elektrolytlösungsmittel kann bei 1,2 Mol liegen, was mehr als der optimale Wert von 1 Mol ist. Die Hauptnachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung sind folgende: Überschüssiger Elektrolyt ist nicht hilfreich, da er mit der Elektrode in Kontakt kommt und oxidiert wird. Dies führt zu einer verstärkten Gasproduktion. Ferner wird der Zellenbetrieb beeinträchtigt, da das Lithiumsalz zu Beginn über dem optimalen Wert liegt. Mehr Lithiumsalz und überschüssiges Lösungsmittel können die Viskosität erhöhen und damit die lonenmobilität verringern. Es ergeben sich ferner Schwierigkeiten bei der Benetzung, da der Elektrolyt nur mit gesteigertem Aufwand sowie mit höherer Temperatur (ca. 50°C) benetzt. Höhere Temperaturen als 55°C führen zu einem irreversiblen Verlust des Lithiumsalzes (LiPF6).
Aus der JP 2019- 153 598 A ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Fertigung einer Batteriepouchzelle bekannt. Aus der US 2015 / 171 461 A1 , aus der WO 2022/ 108 080 A1 und aus der US 2007 / 0 154 803 A1 sind weitere Verfahren zur Fertigung einer Batteriepouchzelle bekannt. Aus der US 10 971 715 B2 ist eine Batteriezelle bekannt. Aus der WO 2021 125591 A1 und aus der EP 3 699 975 A1 sind weitere Batteriezellen sowie Verfahren zur Herstellung solcher Batteriezellen bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fertigung einer Batteriepouchzelle bereitzustellen, mit dem die Leistungsfähigkeit der Batteriepouchzelle im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher Weise gesteigert werden kann.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Fertigung einer Batteriepouchzelle aus, das die folgenden Prozessschritte aufweist: Bereitstellung eines Gehäuse-Zwischenprodukts, dass aus dem Zellgehäuse und einer Gastasche aufgebaut ist; Elektrolytbefüllung, bei der ein Elektrolyt über eine Befüllöffnung im Gehäuse-Zwischenprodukts in das Zellgehäuse gefüllt wird; Versiegeln der Befüllöffnung im Gehäuse-Zwischenprodukt; Formation, bei der erste Lade- und Entladevorgänge durchgeführt werden, wodurch unter Aufbrauch von Elektrolyt sich Gas bildet, das aus dem Zellgehäuse entweicht und in der Gastasche gesammelt wird; Agingprozess, bei dem das Gehäuse-Zwischenprodukts über eine Agingdauer gelagert wird, wodurch unter Aufbrauch von Elektrolyt sich Gas bildet. Zum Ausgleich des bei der Gasbildung aufgebrauchten Elektrolyts erfolgt nach dem Aging ein Nachfüllschritt, bei dem ein Zusatz-Elektrolyt in das Zellgehäuse nachgefüllt wird. Zusätzlich wird nach dem Aging ein Entgasungsschritt durchgeführt, bei dem das im Agingprozess gebildete Gas aus dem Zellgehäuse entweicht und in der Gastasche gesammelt wird.
Erfindungsgemäß wird also der Zusatz-Elektrolyt erst nach dem Agingprozess in die Pouchzelle nachgefüllt. Der Nachfüllschritt wird mit einem modifizierten Verfahren durchgeführt. So ist erfindungsgemäß die (herkömmliche) Gastasche unterteilt in zwei Taschen: Eine Tasche für die Speicherung von Gas, das bei der Bildung von SEI und CEI entsteht und die andere Tasche, die als Elektrolyt-Reservoir dient. Hier wird der nachzufüllende Elektrolyt zwischengespeichert. Das Elektrolyt-Reservoir ist elektrisch vom Elektrodenstapel isoliert, so dass keine Oxidation stattfinden kann.
Der geänderte Prozess wird wie folgt dargestellt: Zunächst erfolgt eine konventionelle Stapelung in einer Pouchzelle mit Gastasche. Anschließend erfolgt ein Versiegeln der Pouchzelle. Der Bereich an der Oberseite wird für die Elektrolytbefüllung offen gehalten. Bei der Elektrolytbefüllung wird zunächst Elektrolyt in die Pouchzelle gefüllt. Dann wird der Gastaschenbereich gepresst, so dass der Elektrolyt nicht in die Zelle eindringen kann, sondern sich im Bereich des Folienmaterial-Beutels oberhalb des gepressten Werkzeugs sammelt. Dies führt zur Bildung des Elektrolyt-Reservoirs oberhalb des Gastaschenbereichs. Im Bereich der Gastasche wird kontinuierlich Druck ausgeübt. Der Bereich oberhalb des Elektrolyt-Reservoirs wird versiegelt. Anschließend kann eine Faltung oder Biegung zwischen der Gastasche und dem Elektrolyt-Reservoir erfolgen. Hierbei wird das Elektrolyt-Reservoir um 180°C gebogen und mit Klebeband oder Klammern in dieser Position gehalten.
Danach wird die Formation durchgeführt. Das sich bildende Gas wird in der Gastasche gesammelt. Der anschließende Agingprozess wird bei hoher Temperatur (50°C) durchgeführt. Erfindungsgemäß wird die Gastasche nach der Formation nicht abgeschnitten, sondern bleibt diese noch mit dem Folienmaterial-Beutel (nachfolgend auch als Gehäuse-Zwischenprodukt bezeichnet) verbunden.
Während des Agingprozesses bildet sich ebenfalls Gas. Ein Teil des zuerst eingefüllten Elektrolyts (Elektrolyt innerhalb der Zelle in Kontakt mit der Elektrode) wird oxidiert und in Gas umgewandelt. Dieses Gas wird während des Agingprozesses und während der vollständigen Bildung von SEI und CEI in der Gastasche gesammelt.
Die Klemme oder das Klebeband am Endradius (das heißt der Faltkante) zwischen der Gastasche und dem Elektrolyt-Reservoir wird nach Abschluss des Agingprozesses entfernt. Das Elektrolyt-Reservoir wird um die Faltkante um 180°C zurückgebogen. Das bedeutet, dass das Elektrolyt-Reservoir nun wieder senkrecht ist und über der Gastasche liegt. Entsprechend fließt der Elektrolyt vertikal von dem Elektrolyt-Reservoir in das Innere des Zellgehäuses. Um die Bewegung des Zusatz-Elektrolyten innerhalb der Zelle zu erleichtern, kann eine mechanische Rollkraft in der Gastasche und dem Elektrolyt-Reservoir in Richtung von oben nach unten ausgeübt werden. Dieser Vorgang ist nachfolgend auch als Nachfüllschritt bezeichnet. Im Nachfüllschritt benetzt der Zusatz-Elektrolyt den Elektrodenstapel im Zellgehäuse. Der Elektrolyt im Zellgehäuse hat durch die Zugabe des Zusatz-Elektrolyts eine optimale Zusammensetzung erreicht. Die Benetzung kann bei einer Temperatur von ca. 45°C erfolgen; alternativ kann die Zelle auch etwa 12 Stunden bei Raumtemperatur und bei einer Druckbeaufschlagung von etwa 3 bar gelagert werden.
Im weiteren Prozessverlauf kann in die Gastasche zumindest ein Schlitz eingebracht werden, damit das gesammelte Gas aus der Gastasche ausströmen und von einem Vakuumsauger abgesaugt werden kann. Die gasentleerte Gastasche wird dann in einer Schneidoperation vom Zellgehäuse abgeschnitten. Das Elektrolyt-Reservoir ist ebenfalls mit der Gastasche verbunden und wird ebenfalls zusammen mit der Gastasche entfernt. Der beschnittene Bereich wird dann endgültig versiegelt und der Beutel gasdicht gemacht.
Erfindungsgemäß muss bevorzugt der Zusatz-Elektrolyt nach der Formation sowie dem Agingprozess nicht erst von gehäuseaußen nachgefüllt werden. Der Zusatz-Elektrolyt wird anstelle dessen bereits bei der anfänglichen Elektrolytbefüllung in das Gehäuse-Innere eingebracht. Der Zusatz-Elektrolyt ist vom Elektrodenstapel zunächst fluiddicht abgetrennt und kann sich daher nicht elektrisch zersetzen. Der Elektrolytmenge im Elektrolyt-Reservoir entspricht bevorzugt der Elektrolytmenge, die in der Formation und im Agingprozess aufgebraucht wird. Der Zusatz-Elektrolyt kann gegebenenfalls die gleiche Zusammensetzung wie der anfänglich eingefüllte Elektrolyt aufweisen. Es ist auch möglich, dass der Zusatz-Elektrolyt mehr Lithiumsalz enthält, so dass der kombinierte Lithiumsalzanteil nach erfolgtem Nachfüllschritt einen optimalen Wert erreicht. Er kann auch andere Zusatzstoffe als der anfänglich eingefüllte Elektrolyt enthalten.
Die Hauptunterschiede zwischen dem derzeitigen Konzept und dem Stand der Technik sind die folgenden: Die (aus dem Stand der Technik bekannte) Gastasche ist aufgeteilt in eine Gastasche und in das Elektrolyt-Reservoir. Die Befüllung des Zellgehäuses mit Elektrolyten erfolgt in zwei Stufen. Die erste Stufe entspricht der herkömmlichen Elektrolytbefüllung; die zweite Stufe entspricht dem erfindungsgemäßen Nachfüllschritt. Nach erfolgtem Nachfüllschritt kann eine fluiddichte Abtrennung zwischen der Gastasche und dem Elektrolyt-Reservoir mittels einer Klammer unterstützt werden. Das Elektrolyt-Reservoir ist im Gehäuse-Zwischenprodukt integriert, jedoch zunächst mittels einer Abtrennung vom Elektrodenstapel fluiddicht getrennt, und zwar bis zum Abschluss des Agingprozesses. Auf diese Weise wird der Zusatz-Elektrolyt während der Formation und des Agingprozesses nicht zersetzt. Die Elektrolyt-Reservoir kann um 180°C gebogen werden, damit der Elektrolyt während der Formation und des Agingprozesses nicht in den Elektrodenstapel fließt. Die Biegung bzw. Faltung zwischen dem Elektrolyt-Reservoir und der Gastasche wird mit Klebeband oder einer Klemme gehalten. Auf diese Weise ist die Biegung stabil und das Elektrolyt-Reservoir befindet sich immer hinter der Gastasche. Der Zusatz-Elektrolyt kann nicht aus der Faltkante in die Gastasche fließen. Der Zusatz-Elektrolyt kann nach dem Agingprozess in des Elektrodenstapel strömen. Dazu wird das Elektrolyt-Reservoir um 180° aufgeklappt, so dass das Elektrolyt-Reservoir wieder oberhalb der Gastasche liegt. Um den Fluss des Zusatz-Elektrolyts in den Elektrodenstapel zu unterstützen, können Rollen verwendet werden. Die Rollen drücken die Elektrolyt-Reservoir zusammen, so dass der Zusatz-Elektrolyt durch den Druck der Rollen in den Elektrodenstapel gelangt. Die Zelle wird daher zweimal benetzt. Die erste Benetzung erfolgt bei der erstmaligen Elektrolytbefüllung des Zellgehäuses. Die zweite Benetzung wird mit dem Zusatz-Elektrolyt durchgeführt. Hier wird die Benetzung durch Erhitzen der Zelle auf 50°C und Halten der Zelle bei dieser Temperatur für etwa 12 Stunden durchgeführt. Die Benetzung kann auch bei Raumtemperatur und durch Anwendung von mechanischem Druck erfolgen. Der Zusatz-Elektrolyt kann aus denselben Bestandteilen bestehen wie der anfänglich eingefüllte Elektrolyt.
Bei der vorliegenden Idee befindet sich der Zusatz-Elektrolyt immer im Inneren des Beutels im Elektrolyt-Reservoir. Dieser Zusatz-Elektrolyt wird nach der Formation und dem Agingprozess in das Zellgehäuse gefüllt. Es gibt daher bevorzugt keine gehäuseäußere Quelle für den Zusatz-Elektrolyt. Alternativ dazu kann in einer weiteren Ausführungsvariante eine gehäuseäußere Elektrolytquelle vorhanden sein, die über eine Zulauföffnung mit dem Inneren der Gastasche verbindbar ist, so dass der Zusatz-Elektrolyt nach der Formation und dem Agingprozess in die Gastasche strömen kann. In einer weiteren Ausführungsvariante ist es auch eine gehäuseäußere Elektrolytquelle bereitstellbar, die permanent mit der Pouchzelle verbunden ist. Diese gehäuseäußere Elektrolytquelle dient als Reservoir und wird während der Formation und des Agingprozesses zusammen mit der Pouchzelle transportiert. Die gehäuseäußere Elektrolytquelle kann über ein Ventil mit der Pouchzelle verbunden sein. Sobald sich das Ventil öffnet, kann der Zusatz-Elektrolyt in den Elektrodenstapel eindringen.
Nachfolgend sind Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So ist im Gehäuse-Zwischenprodukt nicht nur das Zellgehäuse und die Gastasche integriert, sondern zusätzlich auch ein Elektrolyt-Reservoir. Das Elektrolyt-Reservoir ist mittels einer Abtrennung vom Inneren der Gastasche und vom Zellgehäuse-Inneren fluiddicht abgetrennt. Auf diese Weise ist der im Elektrolyt-Reservoir gespeicherte Elektrolyt elektrisch isoliert vom Elektrodenstapel, der im Zellgehäuse angeordnet ist. Erst zum Start des Nachfüllschrittes wird die Abtrennung von gehäuseaußen gelöst. Dadurch kann der Elektrolyt vom Elektrolyt-Reservoir in das Zellgehäuse einströmen. Gleichzeitig kann das bei der Formation und/oder beim Aging gebildete Gas aus dem Zellgehäuse entweichen und sich in der Gastasche sammeln. Bevorzugt wird das Elektrolyt-Reservoir bei der Elektrolytbefüllung mit Elektrolyt gefüllt.
Nach Durchführung des Nachfüllschrittes wird ein Bereich zwischen dem Zellgehäuse und der Gastasche und/oder dem Elektrolyt-Reservoir fluiddicht versiegelt. Anschließend wird die Gastasche und/oder das Elektrolyt-Reservoir vom Zellgehäuse abgetrennt, wodurch die Batteriepouchzelle fertiggestellt ist.
In einer bevorzugten technischen Umsetzung wird die Elektrolytbefüllung wie folgt durchgeführt: So wird das Gehäuse-Zwischenprodukt in eine Befüllstellung platziert, in der sich die Befüllöffnung des Gehäuse-Zwischenprodukts an seiner Oberseite befindet. In der Befüllstellung ist das im Gehäuse-Zwischenprodukt integrierte Zellgehäuse mit Elektrodenstapel bodenseitig positioniert. Vom Elektrodenstapel erstreckt sich ein freier Totraum bis zur Oberseite des Gehäuse-Zwischenprodukts, der seitlich vom Folienmaterial des Gehäuse-Zwischenprodukts begrenzt ist. Nachdem die Elektrolytbefüllung des bodenseitigen Zellgehäuses abgeschlossen ist, wird der noch nicht mit Elektrolyt gefüllte Totraum mit Hilfe der lösbaren Abtrennung aufgeteilt in die Gastasche und in das Elektrolyt-Reservoir. Danach wird die Elektrolytbefüllung fortgesetzt, bei der das von der Gastasche abgetrennte Elektrolyt-Reservoir mit Elektrolyt aufgefüllt wird. In einer einfachen technischen Realisierung definiert die lösbare Abtrennung eine horizontale Trennebene. Unterhalb der horizontalen Trennebene ist die, mit dem Zellgehäuse verbundene Gastasche angeordnet. Oberhalb der horizontalen Trennebene ist das Elektrolyt-Reservoir angeordnet, in das die gehäuseseitige Befüllöffnung mündet.
Nach der Elektrolytbefüllung des Elektrolyt-Reservoir wird die an der Oberseite des Gehäuse-Zwischenprodukts befindliche Befüllöffnung versiegelt, so dass der Innenraum des Gehäuse-Zwischenprodukts nach außen komplett fluiddicht ist.
Der im Elektrolyt-Reservoir befindliche Elektrolyt bleibt während der Formation und während des Agingprozesses elektrisch isoliert vom Elektrodenstapel im Zellgehäuse. Erst nach Abschluss des Agingprozesses wird der erfindungsgemäße Nachfüllschritt initiiert. Hierzu wird die Abtrennung gelöst, so dass der Elektrolyt vom Elektrolyt-Reservoir in das Zellgehäuse einströmen kann. Bevorzugt strömt das Elektrolytgehäuse unter Schwerkraftwirkung selbsttätig in das Zellgehäuse ein. Zudem ist es bevorzugt, wenn der Elektrolyt über die Gastasche in das Zellgehäuse einströmt. Auf diese Weise wird das aus dem Zellgehäuse austretende Gas direkt in der Gastasche gesammelt.
Die lösbare Abtrennung kann in unterschiedlicher Ausprägung realisiert sein. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel kann die Abtrennung lösbare Klemmbügel aufweisen, die von gehäuseaußen auf das Gehäuse-Zwischenprodukt einwirken und die Gastasche vom Elektrolyt-Reservoir trennen. Die lösbaren Klemmbügel können bis zu einem Prozesszeitpunkt vor der Durchführung der Formation und des Agingprozesses am Gehäuse-Zwischenprodukt angelegt sein.
Aufgrund der angelegten Klemmbügel ist das Gehäuse-Zwischenprodukt insgesamt bauraumintensiv gestaltet. Entsprechend ergibt sich eine bauraumaufwändige Lagerung des Gehäuse-Zwischenprodukts während der Formation und während des Agingprozesses. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn die Klemmbügel nur vorläufig bis zu einem Prozesszeitpunkt vor Durchführung der Formation/ Aging angelegt bleiben und wenn noch vor Durchführung der Formation/ Aging die Abtrennung bauraumgünstiger bewirkt wird. Eine solche bauraumgünstige Abtrennung wird erzielt, wenn das Elektrolyt-Reservoir (bei noch angelegten Klemmbügeln) im Bereich der Trennebene um einen Faltachse um 180° umgeschlagen wird. Entsprechend wirkt die gebildete Faltkante als Abtrennung zwischen dem Elektrolyt-Reservoir und der Gastasche. Zur Unterstützung der Trennwirkung kann die Faltkante von außen von einer Klammer eingefasst sein, wodurch die Gastasche an der Faltkante fluiddicht vom Elektrolyt-Reservoir abgetrennt ist.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in schematischer Schnittansicht eine fertiggestellte Batteriepouchzelle;
2 in einem Blockschaltdiagramm eine Prozessabfolge zur Herstellung der in der 1 gezeigten Batteriepouchzelle;
3 bis 9 ein Gehäuse-Zwischenprodukt zur unterschiedlichen Prozesszeitpunkten während der Herstellung der Batteriepouchzelle.

In der 1 ist eine fertiggestellte Batteriepouchzelle gezeigt, die ein Zellgehäuse 1 aus Folienmaterial aufweist. Im Zellgehäuse-Inneren ist ein Elektrodenstapel 3 aus übereinander gestapelten Elektroden- und Separatorlagen angeordnet. Die Ableiterfolien 4 der Elektroden sind zu Zellableitern 5 zusammengefügt, die nach gehäuseaußen geführt sind. Gemäß der 1 ist das Zellgehäuse 1 aus zwei tiefgezogenen Gehäuseteilen 7 aufgebaut, die zum Beispiel mittels eines Heißsiegelverfahrens an Siegelflanschen 9 miteinander verbunden sind. Die Zellableiter 5 sind zwischen zugewandten Siegelflanschen 9 aus dem Zellgehäuse 1 geführt.
Nachfolgend wird anhand der 2 bis 9 ein Verfahren zur Fertigung der in der Figur gezeigten Batteriepouchzelle beschrieben: Demzufolge wird zunächst der Elektrodenstapel 3 in das Zellgehäuse 1 eingebracht. Das Zellgehäuse 1 ist gemäß der 3 Bestandteil eines Gehäuse-Zwischenprodukts 11, in dem zusätzlich eine Gastasche 13 sowie ein Elektrolyt-Reservoir 15 integriert sind, die später beschrieben werden. Anschließend erfolgt eine Elektrolytbefüllung. Während der Elektrolytbefüllung ist das Gehäuse-Zwischenprodukt 11 in einer, in der 3 gezeigten Befüllstellung mit an seiner Oberseite befindlicher Befüllöffnung 17 angeordnet. In der dargestellten Befüllstellung ist das im Gehäuse-Zwischenprodukt 11 integrierte Zellgehäuse 1 mit darin befindlichem Elektrodenstapel 3 bodenseitig positioniert. Vom Elektrodenstapel 3 erstreckt sich ein Totraum 19 bis zur Oberseite des Gehäuse-Zwischenprodukts 11. Nach erfolgter Elektrolytbefüllung bleibt der Totraum 29 oberhalb des Elektrodenstapels 3 noch ohne Elektrolytfüllung.
Anschließend erfolgt die Elektrolytbefüllung des im Gehäuse-Zwischenprodukt 11 integrierten Elektrolyt-Reservoirs 15 (4). Hierzu wird zunächst der Totraum 19 mittels einer lösbaren Abtrennung 21 aufgeteilt in die Gastasche 13 und das Elektrolyt-Reservoir 15, die von einander fluiddicht abgetrennt sind. Die lösbare Abtrennung 21 ist in den 4 und 5 mit Hilfe von Klemmbügeln realisiert, die beidseitig von gehäuseaußen mit einer Klemmkraft F die einander gegenüberliegenden Folienmaterial-Zuschnitte auf Kontakt zusammenpressen. Mit Hilfe der Klemmbügel wird eine horizontale Trennebene definiert, an deren Unterseite die Gastasche 13 mit dem Zellgehäuse-Inneren verbunden ist und oberhalb der das Elektrolyt-Reservoir 15 angeordnet ist, in das die Befüllöffnung 17 mündet. Nach erfolgter Abtrennung des Elektrolyt-Reservoirs 15 von der Gastasche 13 wird die Elektrolytbefüllung des Elektrolyt-Reservoirs durchgeführt. Nach der Elektrolytbefüllung des Elektrolyt-Reservoirs 15 wird die an der Oberseite des Gehäuse-Zwischenprodukts 11 befindliche Befüllöffnung 17 zum Beispiel mittels eines Heißsiegelverfahrens mit einer Siegelnaht 20 (5) fluiddicht versiegelt.
Die Klemmbügel 21 bewirken nur eine vorläufige fluiddichte Abtrennung zwischen der Gehäusetasche 13 und dem Elektrolyt-Reservoir 15. Um eine prozesssichere und bauraumgünstige Lagerung während der Formation und des Agingprozesses zu gewährleisten, wird die fluiddichte Abtrennung 21 im weiteren Prozessverlauf anstelle der Klemmbügel (4 oder 5) durch eine Faltung realisiert, die in der 6 dargestellt ist. Demzufolge wird zur Realisierung der fluiddichten Abtrennung 21 das Elektrolyt-Reservoir 15 im Bereich der Trennebene an einer Faltachse um 180° umgeschlagen. Auf diese Weise liegen die Gastasche 13 und das Elektrolyt-Reservoir 15 bauraumgünstiger als Doppellage übereinander, wodurch das Höhenmaß des Gehäuse-Zwischenprodukts 11 reduziert ist. Die Faltkante 23 zwischen dem Elektrolyt-Reservoir 15 und der Gehäusetasche 13 wirkt als lösbare, fluiddichte Abtrennung.
Anschließend erfolgt die Formation und der Agingprozess, wodurch sich unter Aufbrauch von Elektrolyt Gas im Zellgehäuse 1 bildet.
Nach Abschluss der Formation sowie des Agingprozesses wird der Nachfüllschritt und der Entgasungsschritt gestartet (7). Hierzu wir gemäß der 7 das Elektrolyt-Reservoir 15 entgegen der Faltrichtung hochgeklappt. Dadurch löst sich die von der Faltkante 23 bereitgestellte fluiddichte Abtrennung. Auf diese Weise kann der Elektrolyt E von dem Elektrolyt-Reservoir 15 über die Gastasche 13 in das Zellgehäuse-Innere einströmen. Gleichzeitig kann das im Zellgehäuse-Innere gebildete Gas G in Richtung Gastasche 13 ausströmen.
Die Trennwirkung an der Faltkante 23 wird mit Hilfe einer Klammer 25 gesteigert, die gemäß der 6 die Faltkante 23 außenseitig einfasst.
Nach Durchführung des Nachfüllschrittes beziehungsweise Entgasungsschrittes wird der Bereich 27 zwischen dem Zellgehäuse 1 und der Gastasche 13 unter Bildung einer Siegelnaht 29 fluiddicht versiegelt (8). Anschließend wird die Siegelnaht 29 mittels eines Schneidwerkzeugs 31 durchtrennt, wodurch das Zellgehäuse 1 von der Gastasche 13 sowie dem Elektrolyt-Reservoir 15 getrennt ist, so dass die Batteriepouchzelle fertiggestellt ist.
Bezugszeichenliste

1: Zellgehäuse
3: Elektrodenstapel
4: Ableiterfolien der Elektroden
5: Zellableiter
7: Gehäuseschalen
9: Siegelflansche
11: Gehäuse-Zwischenprodukt
13: Gastasche
15: Elektrolyt-Reservoir
17: Befüllöffnung
19: Totraum
20: Siegelnaht
21: lösbare Abtrennung
23.: Faltachse
25: Klemmelement
29: Siegelnaht
31: Schneidwerkezeug
E: Elektrolyt
G: Gas
F: Klemmkraft

Claims

Verfahren zur Fertigung einer Batteriepouchzelle mit einem Zellgehäuse (1) mit darin angeordnetem Elektrodenstapel (3), das die folgenden Prozessschritte aufweist: - Bereitstellung eines Gehäuse-Zwischenprodukts (11) bestehend aus dem Zellgehäuse (1) und einer Gastasche (13); - Elektrolytbefüllung, bei der ein Elektrolyt (E) über eine Befüllöffnung (17) im Gehäuse-Zwischenprodukt (11) in das Zellgehäuse (1) gefüllt wird; - Formation, bei der erste Lade- und Entladevorgänge durchgeführt werden, wodurch unter Aufbrauch von Elektrolyt sich Gas (G) bildet, das aus dem Zellgehäuse (1) entweicht und in der Gastasche (13) gesammelt wird; - Aging, bei dem das Gehäuse-Zwischenprodukt (11) über eine Agingdauer gelagert wird, wodurch unter Aufbrauch von Elektrolyt (E) sich Gas (G) bildet; - Versiegeln der Befüllöffnung (17) im Gehäuse-Zwischenprodukt (11), wobei zum Ausgleich des bei der Gasbildung aufgebrauchten Elektrolyts (E) nach dem Aging ein Nachfüllschritt erfolgt, bei dem Elektrolyt (E) in das Zellgehäuse (1) nachgefüllt wird, und nach dem Aging ein Entgasungsschritt erfolgt, bei dem das im Aging gebildete Gas (G) aus dem Zellgehäuse (1) entweicht und in der Gastasche (13) gesammelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse-Zwischenprodukt (11) ein Elektrolyt-Reservoir (15) aufweist, das mittels einer lösbaren Abtrennung (21) vom Inneren der Gastasche (13) und des Zellgehäuse (1) fluiddicht abgetrennt ist, dass bei der Elektrolytbefüllung das Elektrolyt-Reservoir (15) mit Elektrolyt (E) gefüllt wird, und dass zum Start des Nachfüllschrittes die Abtrennung (21) von gehäuseaußen gelöst wird, so dass der Elektrolyt (E) vom Elektrolyt-Reservoir (15) in das Zellgehäuse (1) einströmt und gleichzeitig Gas (G) aus dem Zellgehäuse (1) entweicht und in der Gastasche (13) gesammelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Nachfüllschritt ein Bereich zwischen dem Zellgehäuse (1) und der Gastasche (13) und/oder dem Elektrolyt-Reservoir (15) mit einer Siegelnaht (29) fluiddicht versiegelt wird sowie die Gastasche (13) und/oder das Elektrolyt-Reservoir (15) vom Zellgehäuse (1) getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Elektrolytbefüllung das Gehäuse-Zwischenprodukt (11) in einer Befüllstellung mit an seiner Oberseite befindlicher Befüllöffnung (17) angeordnet ist, und dass das im Gehäuse-Zwischenprodukt (11) integrierte Zellgehäuse (1) mit Elektrodenstapel (3) bodenseitig positioniert ist, und dass sich vom Elektrodenstapel (3) ein Totraum (19) bis zur Oberseite des Gehäuse-Zwischenprodukts (11) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Elektrolytbefüllung des bodenseitigen Zellgehäuses (1) der Totraum (19) mittels der lösbaren Abtrennung (21) aufgeteilt wird in die Gastasche (13) und in das Elektrolyt-Reservoir (15), und dass bei anschließend fortgesetzter Elektrolytbefüllung das von der Gastasche (13) abgetrennte Elektrolyt-Reservoir (15) mit Elektrolyt (E) gefüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung (21) eine horizontale Trennebene definiert, unterhalb der die mit dem Zellgehäuse (1) verbundene Gastasche (13) angeordnet ist und oberhalb der das Elektrolyt-Reservoir (15) angeordnet ist, in das die Befüllöffnung (17) mündet.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Elektrolytbefüllung des Elektrolyt-Reservoirs (15) die an der Oberseite des Gehäuse-Zwischenprodukts (11) befindliche Befüllöffnung (17) mit einer Siegelnaht (20) versiegelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgtem Start des Nachfüllschrittes, das heißt nach dem Lösen der Abtrennung (21), der Elektrolyt (E) vom Elektrolyt-Reservoir (15) über die Gastasche (13) unter Schwerkraftwirkung in das Zellgehäuse (1) strömt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung (21) als lösbare Klemmbügel realisiert ist, die beidseitig von gehäuseaußen auf das Gehäuse-Zwischenprodukt (11) einwirken, um die Gastasche (13) vom Elektrolyt-Reservoir (15) zu trennen, und dass zur Realisierung der Abtrennung (21) das Elektrolyt-Reservoir (15) im Bereich der Trennebene an einer Faltachse um 180° umgeschlagen wird, so dass die Gastasche (13) und das Elektrolyt-Reservoir (15) als Doppellage übereinander liegen, und dass die Faltkante (23) von einer Klammer (25) eingefasst ist, so dass die Gastasche (13) an der Faltkante (23) fluiddicht vom Elektrolyt-Reservoir (15) getrennt ist.