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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithiumionenzelle, ein Verfahren zum Beschichten von Trägerfolien von Elektrodenbahnen sowie eine Vorrichtung zum Beschichten einer Elektrodenbahn einer Batteriezelle bzw. für eine Batteriezelle.
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Batteriezellen der in Rede stehenden Art weisen Gehäuse auf, in welchen Elektrodenmaterial angeordnet ist. Kathoden- und Anodenmaterialien von Energiespeicherzellen sind bei unterschiedlichen Ladezuständen bzw. im Betrieb erheblichen Volumenausdehnungen und Volumenkontraktionen ausgesetzt. Diese mechanischen Belastungen, welche sich unter anderem in einem An- und Abschwellen der Elektroden äußern, können die einzelnen Schichten der Elektrodenbahnen (Metallschicht/Trägerfolie, Kathodenmaterial bzw. Beschichtungswerkstoff, Separator etc.) schädigen und somit unter anderem zu einer verminderten Leistung führen. Gerade wenn das Elektrodenmaterial gewickelt ist, kann es im Inneren des Wickels aufgrund der vorgenannten Effekte zu Problemen kommen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batteriezelle, ein Verfahren zum Beschichten von Trägerfolien von Elektrodenbahnen sowie eine Vorrichtung zum Beschichten einer Elektrodenbahn anzugeben, welche es ermöglichen, die nachteiligen Wirkungen der vorbeschriebenen Effekte zu eliminieren.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezelle gemäß Anspruch 1, durch eine Verfahren gemäß Anspruch 9 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst eine Energiespeicherzelle, gemäß einer Ausführungsform eine Lithiumionenzelle, ein Gehäuse, welches einen Anordnungsraum formt, wobei in dem Anordnungsraum Elektrodenbahnen um eine Wickelachse herum zu einem Elektrodenwickel angeordnet sind, und wobei eine Elektrodenbahn zumindest einseitig eine Beschichtung aufweist, welche entlang einer Bahnrichtung der zumindest einen Elektrodenbahn derart unterschiedlich ausgebildet ist, dass das Volumenänderungsverhalten der zumindest einen Elektrodenbahn im Betrieb beeinflusst ist. Es hat sich gezeigt, dass über die Ausbildung bzw. Gestaltung der Beschichtung wirkungsvoll das Volumenänderungsverhalten der Beschichtung bzw. der entsprechenden Elektrodenbahn im Betrieb bzw. auch in Abhängigkeit des Ladezustands beeinflusst werden kann. Die Beschichtung ist dabei zweckmäßigerweise derart unterschiedlich ausgebildet, dass im Vergleich zu einer Beschichtung mit entlang der Bahnrichtung gleichen Eigenschaften der Elektrodenwickel im Inneren derart ausgelegt ist, dass die Volumenausdehnung geringer ist.
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Die Elektrodenbahn bzw. eine Elektrodenbahn umfasst eine Trägerfolie, welche sich entlang der Bahnrichtung erstreckt. Auf dieser ist je nach Ausführungsform ein- oder beidseitig die Beschichtung aufgebracht. Die Beschichtung umfasst jeweils Aktivmaterialien, Leitruß, ggf. Lösungsmittelbinder und Additive. Die jeweilige Zusammensetzung variiert entsprechend, ob es sich um eine Anodenrezeptur oder um eine Kathodenrezeptur handelt. Als Materialien für die Trägerfolie kommen typischerweise Kupfer oder Aluminium zum Einsatz.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Z Beschichtung derart entlang der Bahnrichtung ausgebildet, dass die Volumenausdehnung im Inneren des Elektrodenwickels geringer ist.
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Die geringere Volumenausdehnung im Inneren des Wickels ist insbesondere deshalb bevorzugt, da aufgrund der Wicklung der Elektrodenbahn dort (aufgrund des kleinen Radius) ohnehin bereits hohe mechanische Lasten eingebracht werden. Daneben hat es sich auch gezeigt, dass auch im Betrieb (Lade-/Entladezyklen) die Druckbelastung durch Volumenausdehnung bei homogen beschichteten Elektroden erhöht ist.
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Bevorzugt sind die Massenbeladung (mg/cm2) und in der Folge die flächenbezogene Kapazität (mAh/cm2) entlang der Bahnrichtung unterschiedlich ausgebildet. Dies kann bevorzugt über eine Dicke der Beschichtung erreicht werden. Eine höhere Dicke der Beschichtung ist gleichzusetzen mit einer höheren Massenbeladung bzw. einer höheren flächenbezogenen Kapazität. Wird vorliegend von einer vergrößerten oder verringerten Dicke der Beschichtung gesprochen, ist damit analog immer auch einer vergrößerte oder verringerte Massenbeladung (mg/cm2) oder eine vergrößerte oder verringerte flächenbezogene Kapazität (mAh/cm2) gemeint.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Dicke der Beschichtung entlang der Bahnrichtung unterschiedlich ausgebildet. Besonders eine unterschiedliche Ausgestaltung der Dicke entlang der Bahnrichtung hat sich als vorteilhaft erwiesen, da diese in der Praxis schnell und prozesssicher eingestellt werden kann.
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Zweckmäßigerweise nimmt die Dicke der Beschichtung im Elektrodenwickel von innen nach außen, bezogen auf den Elektrodenwickel bzw. radial zur Wickelachse gesehen, zu. Die Massenbeladung sowie die flächenbezogene Kapazität nehmen entsprechend zu. Entsprechend nimmt die Dicke der Beschichtung zum Kern der Wicklung hin bevorzugt ab. Die optimale Ausgestaltung der abschnittsweise realisierten „Dicke“ ist einzelfallabhängig zu ermitteln. Eine dünnere Beschichtung bedingt vorteilhafterweise eine geringere Volumenausdehnung bzw. umgekehrt.
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Mit der „Dicke“ der Beschichtung ist die Dicke der Beschichtung auf einer Seite der Trägerfolie gemeint. Wie bereits erwähnt kann die Trägerfolie ein- oder beidseitig beschichtet sein. Ist die Trägerfolie beidseitig beschichtet, kann die Dicke der Beschichtung auf beiden Seiten gleichmäßig zu- oder abnehmen, alternativ auch nur auf einer Seite, wenn dies ausreichend ist, um das Volumenänderungsverhalten in der gewünschten Weise zu beeinflussen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Dicke der Beschichtung durch eine unterschiedliche Anzahl von Beschichtungslagen eingestellt. Die Dicke der einzelnen Beschichtungslagen kann dabei gleich sein oder auch unterschiedlich. Die verschiedenen Beschichtungslagen können gemäß einer Ausführungsform unterschiedliche Materialzusammensetzungen aufweisen. Die unterschiedlichen Materialzusammensetzungen unterscheiden sich gemäß einer Ausführungsform mit Vorteil hinsichtlich ihres Volumenänderungsverhaltens.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Beschichtung entlang der Bahnrichtung einlagig ausgebildet. Eine unterschiedliche Dicke kann auch hier über einen entsprechend geführten Materialauftrag beim Beschichten gewährleistet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ändert sich die Dicke der Beschichtung entlang der Bahnrichtung stufenweise oder kontinuierlich. Die tatsächliche Ausgestaltung ist abhängig von der Art der Aufbringung der Beschichtung. Beim Aufbringen der Beschichtung über einen Spritz- oder Sprühprozess kann eine kontinuierliche Dickenzu- oder Abnahme realisiert werden. Beim Auftrag über Düsen, wie insbesondere Schlitzdüsen, kommt es typischerweise zu einer stufenweisen Dickenzu- oder Abnahme.
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Gemäß einer Ausführungsform nimmt die Dicke der Beschichtung entlang der Bahnrichtung wiederholt zu und/oder ab. Es ist also nicht zwingend notwendig, dass die Dicke der Beschichtung kontinuierlich von innen nach außen zunimmt, bereichsweise gleich ist etc.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Wickel beispielsweise im ersten, inneren Abschnitt eine erste Beschichtungsdicke auf, in einem zweiten, daran anschließenden Abschnitt, eine zweite Beschichtungsdicke und in einem dritten, äußeren Abschnitt eine dritte Beschichtungsdicke, wobei jeweils die zweite Beschichtungsdicke größer ist als die erste und die dritte Beschichtungsdicke größer ist als die zweite. Innerhalb der vorgenannten drei Zonen oder Bereiche ist die Beschichtungsdicke gemäß einer Ausführungsform beispielsweise konstant.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Elektrodenbahn die Anode. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um eine Anode, umfassend eine Beschichtung, welche als Bestandteil Silizium, Silizium-Kohlenstoff-Komposite oder Silizium-Oxid aufweist. Aufgrund der damit einhergehenden hohen Kapazitätssteigerungen handelt es sich dabei um eine sehr vielversprechende Lösung. Eine derartige Beschichtung dehnt sich, verglichen mit herkömmlichen rein Graphit-haltigen Anoden, allerdings bei Einbringung von Lithium verhältnismäßig stark aus (vgl. ca 10 % Ausdehnung gegenüber bis zu 300 % Ausdehnung auf Material-Ebene). Zweckmäßigerweise kann dies über die Einstellung der Eigenschaften der Beschichtung entlang der Elektrodenbahn, wie hier beschrieben, kompensiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Energiespeicherzelle eine Rundzelle. Das Gehäuse weist also zweckmäßigerweise eine zylindrische Form auf. Die Energiespeicherzelle ist allerdings nicht auf diese Bauform begrenzt. Gemäß einer Ausführungsform ist das Gehäuse beispielsweise ein prismatisches Gehäuse. Während bei der Rundzelle der Elektrodenwickel eine zylindrische oder im Wesentlichen zylindrische Form aufweist, weist der Elektrodenwickel bei einem prismatischen Gehäuse eine entsprechend angepasste flache Form auf, welche das innere des prismatischen Gehäuses entsprechend ausfüllt.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Beschichten von Trägerfolien von Elektrodenbahnen für Energiespeicherzellen die Schritte:
- - Bereitstellen einer Trägerfolie, welche sich entlang einer Bahnrichtung erstreckt;
- - Aufbringen einer Beschichtung auf die Trägerfolie zum Herstellen einer Elektrodenbahn derart, dass das Volumenänderungsverhalten der Elektrodenbahn im Betrieb entlang der Bahnrichtung unterschiedlich ist.
Das Aufbringen der Beschichtung auf die Trägerfolie kann unterschiedlich gestaltet sein. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Aufbringen der Beschichtung mittels eines Spritz- oder Sprühprozesses.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Aufbringen der Beschichtung mittels entsprechender Düsen, insbesondere Schlitzdüsen. Zweckmäßigerweise erfolgt das Aufbringen der Beschichtung im Rahmen eines Roll-to-Roll-Prozesses. Die Trägerfolie wird abgewickelt, beschichtet, das Trägerlösemittel ggf. abgezogen, und dann im Anschluss wieder aufgerollt. Im Anschluss an die Beschichtung können zweckmäßigerweise weitere Prozessschritte wie Vakuum-Trocknungsschritte, Kalandrierverfahren etc. durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen der Beschichtung entlang der Bahnrichtung derart, dass die Dicke der Beschichtung entlang der Trägerfolie unterschiedlich ist.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Ändern der Anzahl der Beschichtungslagen entlang der Bahnrichtung zum Einstellen der Dicke der Beschichtung.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Trägerfolie beispielsweise derart beschichtet, dass zunächst eine Beschichtungslage vorgesehen ist. In einem weiteren, sich daran anschließenden, Bahnabschnitt wird eine zweite Beschichtungslage aufgebracht, wiederum in einem weiteren Bahnabschnitt eine dritte Beschichtungslage etc. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Elektrodenwickel erzeugt werden, welcher drei unterschiedliche Beschichtungsdicken entlang einer Bahnrichtung der Elektrodenbahn aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Fördern/Abwickeln der Trägerfolie entlang der Bahnrichtung;
- - Ändern des Massenstromes beim Beschichten und/oder einer Bahngeschwindigkeit bei der Förderung zum Einstellen einer Beschichtungsdicke.
Bei dieser Ausführungsform wird nur eine Beschichtungslage aufgebracht. Diese weist allerdings entlang der Bahnrichtung eine unterschiedliche Dicke auf. Dies kann über eine Änderung des Massenstroms beim Beschichten erfolgen und/oder über eine entsprechend angepasste Bahngeschwindigkeit. Eine Verlangsamung der Bahngeschwindigkeit führt beispielsweise zu einer höheren Beschichtungsdicke, ähnlich einem Anstieg des Massenstroms. Dabei ist es unerheblich, ob der Beschichtungsauftrag mittels Sprühen/Spritzen oder über (Schlitz-)Düsen erfolgt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Verwenden einer oder mehrerer Düsen, insbesondere Schlitzdüsen, zum Aufbringen der Beschichtung;
- - Schließen und Öffnen von an den Düsen angebrachten Verschlusselementen zum Einstellen des Beschichtungsauftrags.
Die Düsen sind zweckmäßigerweise hintereinander entlang der Bahnrichtung der Trägerfolie angeordnet. Sind beispielsweise drei Düsen hintereinander angeordnet und alle geöffnet, weist die Trägerfolie, welche entlang der Bahnrichtung gefördert wird, eine Beschichtung mit drei Beschichtungslagen auf. Wird an einer Düse das Verschlusselement geschlossen, weist die Beschichtung in der Folge nur noch zwei Beschichtungslagen auf etc. Die Vorgehensweise kann besonders gut in einen Rollto-Roll-Prozess integriert werden.
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Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Beschichten einer Elektrodenbahn, umfassend eine Steuereinrichtung sowie eine Transport- oder Abwickeleinrichtung, welche ausgelegt ist, eine Trägerfolie entlang einer Bahnrichtung zu fördern, wobei entlang der Bahnrichtung eine Vielzahl von Düsen, insbesondere Schlitzdüsen, angeordnet ist, und wobei die Steuereinrichtung ausgelegt ist, die Düsen unabhängig voneinander zu betreiben, wodurch die Eigenschaften der Beschichtung entlang der Bahnrichtung unterschiedlich eingestellt werden können. Die in Rede stehende Eigenschaft ist insbesondere das Volumenänderungsverhalten in Betrieb und/oder abhängig vom Ladezustand der entsprechenden Energiespeicherzelle.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Vorratsraum, in welchem das Beschichtungsmaterial bevorratet ist. Der Vorratsraum ist über entsprechende Leitungen mit den Düsen verbunden, sodass von dem Vorratsraum das Beschichtungsmaterial zu den Düsen und von dort auf die Trägerfolie aufgebracht werden kann. Über die gezielte Ansteuerung der Düsen kann der Beschichtungsauftrag gesteuert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist zumindest eine Düse ein Verschlusselement auf, welches ausgelegt ist, den Beschichtungsauftrag zu steuern. Zweckmäßigerweise weisen die Düsen entsprechende Verschlusselemente auf, welche es ermöglichen, die Düsen bedarfsgerecht zu öffnen und zu schließen. Alternativ und zusätzlich kann auch der Massenstrom, welcher über die Düse aufgebracht wird, gezielt gesteuert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Vielzahl von Vorratsräumen, welche ggf. Beschichtungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen umfassen. Dadurch kann die Flexibilität beim Auftrag der Beschichtung weiter gesteigert werden, da beispielsweise über die eine Düse ein erster Beschichtungswerkstoff und über die nächste Düse ein zweiter Beschichtungswerkstoff aufgebracht werden kann. Die unterschiedlichen Beschichtungswerkstoffe weisen gemäß einer Ausführungsform ein zueinander unterschiedliches Volumenausdehnungsverhalten auf.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen einer Vorrichtung, des Verfahrens bzw. einer Energiespeicherzelle mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Beschichten einer Elektrodenbahn;
- 2: eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Elektrodenbahn einer Energiespeicherzelle;
- 3: eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung des Wickelprozesses sowie eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Elektrodenwickels;
- 4: zwei Draufsichten auf Elektrodenbahnen.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Vorrichtung zum Beschichten 50, umfassend eine schematisch dargestellte Transport- oder Fördereinrichtung 56. Auf dieser wird entlang einer Förderrichtung F eine Elektrodenbahn 20 gefördert bzw. transportiert. Diese umfasst eine Trägerfolie 22, welche sich entlang einer Bahnrichtung B erstreckt. Auf der Trägerfolie 22 ist eine Beschichtung 40 angeordnet, welche vorliegend bis zu drei Beschichtungslagen 42 umfasst. Diese werden über drei (Schlitz-)Düsen 52 aufgebracht, welche jeweils entsprechende Verschlusselemente 54 aufweisen, welche geöffnet und geschlossen werden können. Die Düsen 52 sind entlang der Bahnrichtung B hintereinander angeordnet. In dem in der 1 dargestellten Zustand wird gerade nur eine Beschichtungslage 42 erzeugt. Über das Öffnen und Schließen der Verschlusselemente 54 können prozesssicher und effizient Beschichtungen 40 mit entlang der Bahnrichtung B unterschiedlichen Dicken und entsprechend Massenbeladungen/Kapazitäten eingestellt werden. In der Folge kann das das Volumenänderungsverhalten der Elektrodenbahn beeinflusst werden.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine Elektrodenbahn 20, umfassend eine Trägerfolie 22 mit drei Beschichtungslagen 42, welche beispielsweise wie in einer in der 1 skizzierten Vorrichtung hergestellt wurde.
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3 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen oder Herstellen eines Elektrodenwickels 30, vgl. die Bildmitte. Im linken Bildabschnitt sind zwei Elektrodenbahnen 20 skizziert, beispielsweise eine Anode 24 und eine Kathode 26 sowie ein dazwischen angeordneter Separator. Diese werden um eine Wickelachse W zu einem wie in der Bildmitte dargestellten Elektrodenwickel 30 gewickelt. In der Folge entsteht ein Elektrodenwickel 30, vgl. den rechten Bildabschnitt, welcher im Inneren eine dünnere Beschichtung 40 aufweist als nach außen hin. Skizziert ist dies vorliegend über eine entsprechende Strichdicke.
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4 zeigt zwei Ausführungsformen von Elektrodenbahnen 20 mit entsprechenden Beschichtungen 40, welche auf eine Trägerfolie 22 aufgebracht sind. Zu erkennen ist, dass bei der unteren Elektrodenbahn 20 die Trägerfolie Abschnitte aufweist, welche keine Beschichtung 40 aufweisen. Über das Steuern der Verschlusselemente, vgl. die 1, beim Aufbringen der Beschichtung 40 kann dies einfach realisiert werden. Die vertikalen Striche skizzieren mögliche Trennstellen, an welchen die Elektrodenbahnen 20 getrennt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Elektrodenbahn
- 22
- Trägerfolie
- 24
- Anode
- 26
- Kathode
- 28
- Separator
- 30
- Elektrodenwickel
- 40
- Beschichtung
- 42
- Beschichtungslage
- 50
- Vorrichtung zum Beschichten
- 52
- (Schlitz-)düse
- 54
- Verschlusselement
- 56
- Transport-/Fördereinrichtung
- B
- Bahnrichtung
- F
- Förderrichtung
- W
- Wickelachse
