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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Tränken einer blattförmigen Elektrode nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Tränken einer blattförmigen Elektrode mit einer derartigen Vorrichtung. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer Elektroden-Separatoren-Anordnung für eine galvanische Zelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 8 näher definierten Art.
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Das Tränken von Elektroden-Separatoren-Anordnungen für galvanische Zellen, beispielsweise für Lithium-lonen-Batteriezellen, erfolgt typischerweise innerhalb des Gehäuses der jeweiligen Batterieeinzelzelle, in welches die Elektroden-Separatoren-Anordnung eingebracht ist. Das Gehäuse wird hierzu typischerweise evakuiert und häufig zusätzlich erwärmt, wonach der Elektrolyt von einer Seite aus durch eine Befüllöffnung für Elektrolyt zugeführt wird und die Elektroden-Separatoren-Anordnung mit dem Elektrolyt tränkt, wobei durch Kapillarkräfte der Elektrolyt von der Elektroden-Separatoren-Anordnung quasi aufgesaugt wird.
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Im Journal of Power Sources 380 (2018) 126-134 ist im Artikel „Visualization of electrolyte filling process and influence of vacuum during filling for hard case prismatic lithium ion cells by neutron imaging to optimize the production process“ von Weydanz et al. ein solcher Ablauf beschrieben. Dabei sind entsprechende Aufnahmen einer Batterieeinzelzelle während der Befüllung mit Elektrolyt gezeigt. Diese Aufnahmen zeigen, dass der Elektrolyt eine gewisse Zeit nach dem Einfüllen in das Gehäuse den gesamten Elektrodenstapel umgibt und von allen Stirnseiten aus gleichmäßig in den Elektrodenstapel eingesaugt wird. Dies führt in der Praxis dazu, dass trotz der Evakuierung eventuell noch in dem Elektrodenstapel verbliebene Feuchtigkeit und Gase sich am Ende des Befüllungsprozesses in der Mitte des Elektrodenstapels konzentrieren. Derartige Stellen, welche nicht oder nicht vollständig mit dem Elektrolyt getränkt sind, führen in der Praxis dann zu einer Beeinträchtigung der Performance der Batterieeinzelzelle und verringern deren Lebensdauer.
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Die
DE 698 01 719 T2 bezieht sich ganz allgemein auf ein Verfahren zum Befüllen einer elektrochemischen Zelle mit Elektrolyt. Sie verwendet dazu einen Flüssigkeitsstrahldrucker, über welchen das Elektrolyt in einem ausgewählten Muster auf eine poröse Separatorschicht aufgetragen wird.
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Die
DE 10 2021 208 894 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-lonen-Batteriezelle. Eine beschichtete Elektrodenfolie wird dabei in ein Elektrolytbad eingebracht, um die beschichtete Elektrodenfolie zu tränken. Dem Elektrolyt wird dafür ein Lösungsmittel zugesetzt. Die mit dem Elektrolyt getränkte Elektrodenfolie wird anschließend kalandriert und abschließend erwärmt, sodass in der Beschichtung aufgenommenes Lösungsmittel zumindest teilweise verdampft.
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Die
EP 1 134 831 A2 beschreibt ein Herstellungsverfahren für eine Batterie. Die einzelnen Elektroden werden dabei unter einem Vorratsbehälter für Elektrolyt hindurchgeführt, welcher so gestaltet ist, dass Elektrolyt über einen schaltbaren Schlitz austreten und die unter ihm vorbeilaufenden Elektroden entsprechend benetzen kann.
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Abschließend kann ferner auf die
DE 10 2014 009 623 A1 verwiesen werden. In dieser auf eine vorläufige Anmeldung der Anmelderin zurückgehenden Schrift wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie beschrieben, bei welchem ein Elektrolytgemisch mittels einer Befüllvorrichtung auf eine Oberflächenseite einer Elektrode oder eines Separators aufgebracht wird. Vorzugsweise kommt als Befüllvorrichtung dabei eine Sprühvorrichtung zum Einsatz, über welches das Elektrolytgemisch auf eine Oberflächenseite der Elektrode und/oder des Separators aufgesprüht wird. Alternativ zu dem Sprühen wird auch ein Aufwalzen oder Aufrakeln des Elektrolyts beschrieben.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Tränken einer blattförmigen Elektrode sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Elektroden-Separatoren-Anordnung für eine galvanische Zelle anzugeben, durch welche die Tränkung der Elektroden-Separatoren-Anordnung verbessert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Tränken einer blattförmigen Elektrode gemäß Anspruch 4 gelöst. Letztlich löst auch ein Verfahren zum Herstellen einer Elektroden-Separatoren-Anordnung für eine galvanische Zelle gemäß Anspruch 8 die Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung sowie der beiden Verfahren ergeben sich dabei aus den hiervon jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Tränken einer blattförmigen Elektrode aus einem metallischen Substrat und einem Aktivmaterial, welches typischerweise auf beiden Seiten des Substrats angeordnet ist, sieht eine Elektrolytkammer vor, welche eine Zufuhröffnung Elektrolyt einerseits und eine Seite aus einem porösen Material, welches die Elektrolytkammer verschließt, andererseits aufweist. Der Aufbau kann beispielsweise im Querschnitt gesehen als hohler Stempel ausgebildet sein, durch dessen Stempelgriff der Elektrolyt zugeführt wird, und dessen Stempelfläche aus einem porösen Material ausgebildet ist. Dieses wird benachbart zu dem Aktivmaterial der Elektrode platziert. Das poröse Material steht mit einer Heizenergiequelle in wärmeleitender Verbindung, um das Elektrolyt zu verdampfen. Der dampfförmige Elektrolyt kann dann sehr leicht und sehr gleichmäßig aus dem porösen Material in das Aktivmaterial eindringen und dieses gleichmäßig durchströmen. Der Elektrolyt kondensiert in dem Aktivmaterial der Elektrode und sorgt so für eine sehr homogene Tränkung desselben mit dem Elektrolyt. Dabei wirkt sich der typische Aufbau der Elektrode sehr vorteilhaft aus. Das metallische Substrat auf der dem porösen Material abgewandten Seite des Aktivmaterials stellt einen sehr guten Wärmeleiter dar. Die Abkühlung wird also im Bereich des Substrats zuerst erfolgen, sodass das Aktivmaterial ausgehend von seiner Berührungsfläche mit dem Substrat sich zunehmend mit dem von dieser Seite her auskondensierenden im Bereich der Vorrichtung verdampften Elektrolyten tränkt.
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Mit dieser Vorrichtung kann das Aktivmaterial einer Elektrode also ideal mit Elektrolyt getränkt werden. Dies gilt insbesondere, wenn es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen ist, dass die Fläche des porösen Materials der Fläche der zu tränkenden blattförmigen Elektrode entspricht. Über die Vorrichtung lässt sich dann die gesamte Fläche der Elektrode auf einmal mit Elektrolyt benetzen und durchtränken. Dies kann ohne Vakuum erfolgen, wobei auch hier selbstverständlich optional ein Unterdruck oder ein Vakuum möglich sind.
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Verfahrensgemäß läuft dies nun so ab, dass eine blattförmige Elektrode mittels einer solchen Vorrichtung in der Art getränkt wird, dass die Elektrolytkammer der Vorrichtung mit dem porösen Material auf die Fläche mit dem Aktivmaterial der Elektrode aufgepresst wird. Durch die beim Aufpressen aufgebrachte Kraft wird das poröse Material gegen das Aktivmaterial der Elektrode gedrückt. Im Anschluss wird dann der Elektrolyt zugeführt. Durch den hohen Druckverlust des porösen Materials verteilt er sich gleichmäßig über die gesamte Fläche, und wird in dem porösen Material bis zur Verdampfung erhitzt und strömt dann aus dem porösen Material dampfförmig auf der gesamten Fläche aus und kann so sehr homogen in das Aktivmaterial der jeweiligen Elektrode einströmen und sich gleichmäßig in dem Aktivmaterial, welches typischerweise ebenfalls porös ist, verteilen. Der homogen verteilte Elektrolytdampf kondensiert dann aus, so dass das Aktivmetrial mit flüssigem Elektrolyt getränkt ist. Die Auskondensation erfolgt - wie oben bereits erklärt - ausgehend von dem metallischen Substrat. Somit bleiben die Strömungswege, welche dem porösen Material zugewandt sind, bis zuletzt mit Gas gefüllt und der dampfförmige Elektrolyt kann sich hier ideal ausbreiten, sodass eine sehr gleichmäßige Durchtränkung erzielt werden kann.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei so, dass die Elektrode zur Kondensation des dampfförmigen Elektrolyts mit einer Wärmesenke verbunden ist. Die Elektrode, und hier insbesondere das metallische Substrat der Elektrode, wird also aktiv gekühlt, um die Auskondensation des Elektrolyten innerhalb des Aktivmaterials von der Berührungsfläche mit dem Substrat ausgehend noch besser zu unterstützen.
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Wie ebenfalls bereits erwähnt lässt sich das Verfahren ohne ein Vakuum durchführen, sodass also die gesamte Vorrichtung zum Tränken nicht innerhalb eines evakuierten Raumes vorgehalten werden muss. Dennoch kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass es in einem Volumen durchgeführt wird, welches einen gegenüber dem Umgebungsdruck reduzierten Druck aufweist. Ein Vakuum ist dabei nicht notwendig, vielmehr reicht eine leichte Druckreduzierung aus, durch welche insbesondere der Siedepunkt des Elektrolyten abgesenkt und damit die notwenige Heizenergie der Heizenergiequelle entsprechend reduziert werden kann.
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Besonders günstig ist es, wenn das Verfahren so angewandt wird, dass zwei der Vorrichtungen von beiden Seiten der blattförmigen Elektrode aus auf diese aufgepresst werden, sodass also bei einer Elektrode aus metallischem Substrat, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, je nachdem, ob die Kathode oder die Anode getränkt wird und darauf aufgebrachtem Aktivmaterial beidseitig auf dieses Aktivmaterial aufgepresst wird. Hierdurch sind relativ große Drücke möglich, da keine einseitige Belastung der mechanisch relativ anfälligen Elektrode auftreten. Der Aufbau kann so sehr schnell und effizient mit einer ausreichenden Menge an Elektrolyt getränkt werden, wonach die beiden Seiten des Aktivmaterials der jeweiligen Elektrode gleichmäßig und vollständig mit dem Elektrolyt durchtränkt sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Elektroden-Separatoren-Anordnung für eine galvanische Zelle sieht es dann vor, dass zwei unterschiedliche blattförmige Elektroden aus jeweils einem metallischen Substrat und beidseitig aufgebrachtem Aktivmaterial mit dazwischen angeordnetem Separator zum Einsatz kommen. Die jeweiligen Elektroden sind dabei erfindungsgemäß mittels des oben beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit Elektrolyt getränkt und werden dann mit dem Separator zu der Elektroden-Separator-Anordnung aufgestapelt. Durch die bereits getränkten beziehungsweise vorgetränkten Elektroden wird eine gleichmäßige Durchtränkung der gesamten Elektroden-Separatoren-Anordnung mit dem Elektrolyt erreicht. Nun ist es grundsätzlich möglich, die Tränkung gemäß des oben beschriebenen Verfahrens als reine Vortränkung zu verwenden, den Stapel also in seinem Gehäuse nochmals entsprechend nachzutränken. Bei einer ausreichenden Tränkung der einzelnen Elektroden kann ein solcher Schritt jedoch auch unterbleiben.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung kann für das erfindungsgemäße Verfahren ein blattförmiger Separator verwendet werden, sodass also einzelne Blätter von Elektroden, Separatoren usw. aufeinander aufgestapelt werden. Alternativ dazu wäre es auch denkbar, einen bandförmigen Separator zu verwenden, welcher Z-förmig gefaltet wird, wonach die getränkten bzw. vorgetränkten Elektroden in die durch die Z-förmige Faltung entstandenen Taschen seitlich eingeschoben werden. Auch auf diese Art kann in an sich bekannter Art und Weise eine Elektroden-Separatoren-Anordnung als Stapel hergestellt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figur näher dargestellt ist.
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Die einzige beigefügte 1 zeigt dabei in drei Einzelbildern den Ablauf zum Tränken einer Elektrode mit Elektrolyt unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ganz links ist eine Elektrode 1 dargestellt. Sie besteht aus einem metallischen Substrat 2, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, je nachdem, ob es sich um die Anode oder die Kathode handelt. Dieses metallische Substrat 2 ist auf seinen beiden Oberflächen jeweils mit einem Aktivmaterial 3 entsprechend beschichtet. Das Aktivmaterial 3 auf dem Substrat 2 in der Darstellung der 1 links ist dabei ungetränkt.
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In der nächsten in der Mitte der 1 dargestellten Station werden auf diesen Aufbau der unbenetzten Elektrode 1 nun von oben und von unten Elektrolytstempel 4 mit einer durch die Pfeile F angedeuteten Kraft auf das Aktivmaterial 3 der Elektrode 1 aufgepresst. Jeder dieser Elektrolytstempel 4 stellt dabei eine Vorrichtung 4 zum Tränken des Aktivmaterials 3 der Elektrode 1 mit Elektrolyt E dar. Dieser Elektrolyt E ist hier mit einer unregelmäßigen Kreuzschraffur dargestellt. Jeder der Elektrolytstempel 4 umfasst eine Elektrolytkammer 5, welche in einen hohlen Stempelschaft 6 übergeht, welcher als Zufuhröffnung 6 für den Elektrolyt E ausgebildet ist. In Richtung der Elektrode 1 ist die jeweilige Elektrolytkammer 5 durch ein poröses Material 7 verschlossen.
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Das poröse Material 7 bildet dabei einen ebenen Abschluss, dessen Fläche der Fläche der zu benetzenden Elektrode 1 bzw. ihres Aktivmaterials 3 entspricht. Das poröse Material 7 setzt dem Elektrolyt E dabei einerseits einen so hohen Druckverlust entgegen, dass dieser sich gleichmäßig über die gesamte Fläche des porösen Materials 7 verteilt und in diesem verdampft werden kann. Hierfür steht das poröse Material 7 mit einer Heizenergiequelle +dQ/dt in Verbindung. Durch diese Heizenergiequelle +dQ/dt wird die für das Verdampfen benötigte Wärme zugeführt.
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Die Elektrolytstempel 4 werden nun wie oben bereits angedeutet und durch die Kraftpfeile F in der Darstellung der 1 in der Mitte gezeigt, gegen das Aktivmaterial 3 der Elektrode 1 gepresst. Im Anschluss wird der Elektrolyt E verdampft, sodass dieser dampfförmig aus dem porösen Material 7 austritt und über die gesamte Fläche gleichmäßig in den Bereich des Aktivmaterials 3 strömt. In dem ebenfalls porösen Aktivmaterial 3 kann sich der dampfförmige Elektrolyt E gleichmäßig und sehr homogen verteilen. Das metallische Substrat 2 der Elektrode 1 ist dabei durch die metallische Ausführung sehr gut wärmeleitend und kann idealerweise an eine Wärmesenke -dQ/dt angeschlossen werden. Das Substrat 2 und damit letztlich die Elektrode 1 wird dadurch aktiv gekühlt. Diese aktive Kühlung kann insbesondere dann einsetzen, wenn der Dampf des Elektrolyten E bereits in das Aktivmaterial 3 eingedrungen ist. Zusammen mit der ohnehin bestehenden Ableitung von Wärme durch das Substrat 2 und der zusätzlichen optionalen Kühlung desselben über die Wärmesenke -dQ/dt wird so erreicht, dass der dampfförmige Elektrolyt E ausgehend von der Berührungsfläche zwischen dem Aktivmaterial 3 und dem Substrat 2 auskondensiert und das Aktivmaterial in Richtung des Elektrolytstempels 4 hin vollständig und gleichmäßig durchtränkt. Bei ausreichender Verweilzeit der Elektrode 1 zwischen den beiden Elektrolytstempeln 4 wird hierdurch das gesamte Aktivmaterial 3 mit Elektrolyt sehr homogen durchtränkt. Dieser Zustand der Elektrode 1, deren Aktivmaterial 3 mit dem Elektrolyt E vollständig durchtränkt ist, ist in der Darstellung der 1 rechts dargestellt.
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Eine Elektroden-Separatoren-Anordnung, welche hier nicht explizit dargestellt ist, lässt sich dann beispielsweise aus derartigen getränkten Elektroden 1 der jeweiligen Polung abwechselnd mit dazwischen angeordneten Separatoren aufstapeln und dieser so hergestellte Stapel lässt sich dann in ein Gehäuse integrieren, um die eigentliche Batterieeinzelzelle auszubilden. Diese kann vorzugsweise als Lithium-Ionen-Zelle realisiert werden, welche beispielsweise in einer Traktionsbatterie zum zumindest teilweisen elektrischen Antreiben eines Fahrzeugs zum Einsatz kommen kann.