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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Tränken einer Elektrode nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Tränken einer 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 10 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 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.
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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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Zum weiteren Stand der Technik kann ferner auf die
DE 10 2012 012 790 A1 verwiesen werden. Diese zeigt eine Wandlerzelle mit einem Zellgehäuse sowie eine Batterie mit mindestens zwei dieser Wandlerzellen. Im Wesentlichen ist hier der Aufbau eines Gehäuses näher beschrieben.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Tränken einer 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 6 gelöst. Letztlich löst auch ein Verfahren zum Herstellen einer Elektroden-Separatoren-Anordnung für eine galvanische Zelle nach Anspruch 10 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 Elektrode aus einem metallischen Substrat und einem Aktivmaterial sieht eine poröse Walze mit einer Elektrolytkammer im Inneren vor. Die Elektrolytkammer hat eine Zufuhröffnung für unter Druck stehenden Elektrolyt. Durch die poröse Walze hindurch verteilt sich dieser Elektrolyt von der Elektrolytkammer im Inneren gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Walze, weil das poröse Material einen relativ hohen Druckverlust in dem Elektrolyt verursacht und damit für eine homogene Verteilung desselben sorgt. Über diese poröse Walze kann nun der Elektrolyt auf das Aktivmaterial der Elektrode aufgetragen werden, wozu verfahrensgemäß die wenigstens eine Walze über das Aktivmaterial abgerollt wird, während der Elektrolytkammer Elektrolyt zugeführt wird.
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Die Walze kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung um ihre zentrale Achse drehbar ausgeführt sein, sodass diese sich gleichmäßig über das Aktivmaterial abrollen lässt. Vorzugsweise weist die Walze in Richtung ihrer zentralen Achse eine Breite auf, welche größer oder gleich der Breite der zu tränkenden Elektrode ausgebildet ist, sodass die gesamte Fläche des Aktivmaterials gleichmäßig mit dem Elektrolyt durchtränkt wird. Vorzugsweise ist die Breite der Walze nicht oder nur minimal größer als die des Aktivmaterials der Elektrode, um einen Elektrolytüberschuss im seitlichen Bereich des Aktivmaterials zu verhindern, da dieser lediglich die Vorrichtung verunreinigen würde und im Aufbau der späteren Elektroden-Separatoren-Anordnung ungenutzt bliebe.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass diese eine Einrichtung zur Beaufschlagung der Walze mit einer in Richtung der zu tränkenden Elektrode wirkenden Kraft vorsieht. Die Walze kann also mit einer entsprechenden Kraft auf das Aktivmaterial der Elektrode aufgedrückt werden. Vorzugsweise ist dabei auf der gegenüberliegenden Seite der Elektrode ein Gegenelement oder eine weitere Walze angeordnet. Durch diese Druckbeaufschlagung des Aktivmaterials kann zeitgleich zur Tränkung des Aktivmaterials mit dem Elektrolyt der ansonsten bei Elektroden mit Aktivmaterial ebenfalls übliche Schritt des Kalandrierens, also eines Verpressens des Aktivmaterials unter Druck zwischen Walzen mit vorgenommen werden. Die Vorrichtung erlaubt somit eine sehr effiziente Herstellung der getränkten Elektroden.
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Wie oben bereits erwähnt ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass das Aktivmaterial durch ein Abrollen der Walze auf demselben getränkt wird, während der Elektrolytkammer Elektrolyt unter Druck zugeführt wird. Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun vorsehen, dass zwei der Vorrichtungen von beiden Seiten der Elektroden auf diesen abgerollt werden, wobei Elektrolyt unter Druck zu beiden Elektrolytkammern der beiden Vorrichtungen zugeführt wird. Bei diesem Aufbau kann also eine Elektrode mit einer zentralen Schicht des metallischen Substrats und einer Beschichtung mit Aktivmaterial auf dessen beiden Oberflächen gleichzeitig mit Elektrolyt getränkt und bei der oben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung darüber hinaus kalandriert werden. Dies macht das Verfahren besonders effizient und schnell.
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Die Elektrode selbst kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung als Endlosmaterial zwischen der Walze und einem Gegenelement oder zwischen zwei der Vorrichtungen hindurchgeführt werden. Alternativ dazu kann bei einer Ausgestaltung der Elektrode in Form von vereinzelten Blättern auch eine Fördereinrichtung vorgesehen werden, welche die vereinzelten Elektroden entlang der wenigstens einen Walze führt, um diese zu tränken.
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Aus einer solchen getränkten oder vorgetränkten Elektrode kann dann zusammen mit einer weiteren Elektrode der ergänzenden Polarität sowie einem dazwischen angeordneten Separator eine Elektroden-Separatoren-Anordnung für eine galvanische Zelle hergestellt werden. Dabei lassen sich beispielsweise blattförmige Elektroden zusammen mit blattförmigen Separatoren entsprechend aufstapeln oder der Separator wird z-förmig gefaltet und die Elektroden werden seitlich in die so entstandenen Taschen eingeschoben. Eine weitere Möglichkeit besteht aus der Herstellung der Elektroden-Separatoren-Anordnung als Wickel, bei welchem Endlosbänder des Separators und der beiden Elektroden um einen Kern herum zu einer Rolle mit im Wesentlichen zylindrischer oder ovalen Form aufgewickelt 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 Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten möglichen Verfahrens zum Tränken einer Elektrode mit Elektrolyt unter Verwendung von zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen; und
- 2 eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens.
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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 beschichtet. Das Aktivmaterial 3 auf dem Substrat 2 in der Darstellung der 1 links ist dabei ungetränkt.
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In der Mitte der 1 sind zwei Vorrichtungen 4 erkennbar, welche jeweils aus einer um ihre zentrale Achse rotierenden porösen Walze 5 bestehen. Innerhalb des porösen Materials der porösen Walze 5 befindet sich eine beispielsweise zentral entlang der Drehachse mit Elektrolyt gespeiste Elektrolytkammer 6, welcher ein mit E bezeichneter Elektrolyt zugeführt wird. Der in der 1 ganz links dargestellte Pfeil zeigt dabei ein Vorschub- bzw. Förderrichtung V der aus dem Aktivmaterial 3 und dem metallischen Substrat 2 ausgebildeten Elektrode 1 zwischen den beiden porösen Walzen 5 der Vorrichtungen 4. Diese drehen sich dementsprechend oben in der Darstellung der 1 entgegen und unten in der Darstellung der 1 im Uhrzeigersinn. Der Elektrolyt E tritt nun gleichmäßig über die Oberfläche der porösen Walze 5 verteilt aus und tränkt das Aktivmaterial 3 der Elektrode 1. Der Elektrolyt E ist hier mit einer unregelmäßigen Kreuzschraffur ab dem Berührungspunkt der Walzen 5 in dem rechts davon dargestellten Aktivmaterial 3 entsprechend angedeutet.
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Optional kann nun auf beide porösen Walzen 5 der jeweiligen Vorrichtung 4 eine Kraft in Richtung der Elektrode 1 und damit in Richtung der gegenüberliegenden porösen Walze 5 der jeweils anderen Vorrichtung 4 ausgeübt werden. Zusammen mit dem Tränken des Aktivmaterials 3 mit dem Elektrolyt E kann das Aktivmaterial 3 so gleichzeitig kalandriert werden.
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Der in 1 dargestellte Verfahrensablauf bietet sich insbesondere dann an, wenn als Ausgangsmaterial ein Endlosmaterial der Elektrode 1, bestehend aus dem auch als Ableiterfolie dienenden metallischen Substrat 2 und dem Aktivmaterial 3, welches hier auf beiden Oberflächen des Substrats 2 aufgebracht ist, besteht. Sind die einzelnen Elektroden 1 dahingegen vereinzelt, muss ein alternativer Aufbau eingesetzt werden. Ein solcher ist rein beispielhaft in der Darstellung der 2 zu erkennen. Über zwei umlaufende Bänder 7, 8 als Fördereinrichtungen 7, 8 werden die einzelnen blattförmigen Elektroden 1, von welchen nur einige mit Bezugszeichen versehen sind, gefördert. Auf dem Förderband 7, welches bis zu den beiden Vorrichtungen 4, welche hier analog zur Darstellung in 1 zu verstehen sind, verläuft, werden die unbenetzten Elektroden 1, welche jeweils aus dem Substrat 2 und zwei Schichten aus dem Aktivmaterial 3 bestehen, zu den beiden Vorrichtungen 4 mit ihren porösen Walzen 5 gefördert. Im Anschluss werden sie durch die Walzen 5 selbst gefördert, bevor sie als mit dem Elektrolyt E getränkte Elektroden 1, welche analog zur Darstellung in 1 mit dem kreuzschraffierten Elektrolyt E gekennzeichnet sind, auf dem zweiten Förderband 8 weiterbewegt werden.
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Das Tränken des Aktivmaterials 3 mit dem Elektrolyt E kann dabei durch Wärme im Bereich des beiden Vorrichtungen 4 und/oder einen vorgewärmten Elektrolyt E entsprechend unterstützt werden, sodass dieser Elektrolyt E eine geringere Viskosität aufweist und das Aktivmaterial 3 der Elektrode 1 noch besser tränken kann.
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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. Alternativ dazu könnte der Separator z-förmig gefaltet werden oder Endlosbänder der beiden Elektroden 1 und des Separators können zu einem Wickel aufgewickelt und dann vorzugsweise in ein zylindrisches Gehäuse integriert werden, um die eigentliche Batteriezelle auszubilden. Die Batteriezellen können vorzugsweise als Lithium-Ionen-Zellen realisiert werden, welche beispielsweise in einer Traktionsbatterie zum zumindest teilweisen elektrischen Antreiben eines Fahrzeugs zum Einsatz kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012012790 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- 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 [0003]
