DE102022112525A1

DE102022112525A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle

Info

Publication number: DE102022112525A1
Application number: DE102022112525.4A
Authority: DE
Inventors: Miriam Kunze; Stephan Leonhard Koch; Tobias Jansen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-05-18
Filing date: 2022-05-18
Publication date: 2023-11-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (10) für eine Batteriezelle, umfassend:
- Zuführen einer metallischen Folie (12) oder eines metallischen Bandes (13),
- Auftragen eines Pulvers (14) oder einen Grünfolie (26) eines keramischen Materials auf die metallische Folie (12) oder das metallische Band (13),
- Aufheizen des auf die metallische Folie (12) oder auf das metallische Band (13) aufgetragenen Pulvers (14) oder der Grünfolie (26) durch induktive Anregung zumindest einer Komponente des Pulvers (14) oder der Grünfolie (26), wobei das Pulver (14) oder die Grünfolie (26) über einen Schmelzpunkt erhitzt und verflüssigt wird und eine Schmelze (16) ausbildet,
- Ausbilden einer keramischen Schicht (18) an einer Oberfläche (20) der metallischen Folie (12) oder des metallischen Bandes (13) durch Abkühlen der Schmelze (16).
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (30) zur Herstellung eines solchen Festkörperseparators (10) für eine Batteriezelle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Separators für eine Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Lithium-Ionen-Batterien haben in den letzten zwei Jahrzehnten für eine Vielzahl von Anwendungen in tragbaren elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen und Laptops große Aufmerksamkeit erregt. Aufgrund der schnellen Marktentwicklung der Elektrofahrzeuge und der Energiespeicherung im Netz sind leistungsstarke, kostengünstige Lithium-Ionen-Batterien derzeit eine der vielversprechendsten Optionen für groß angelegte Energiespeicher.
Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht im Allgemeinen aus einem Separator, einer Kathode und einer Anode. Derzeit werden die Elektroden durch Dispergieren von feinen Pulvern eines aktiven Batterieelektrodenmaterials, eines leitenden Mittels und eines Bindemittels in einem geeigneten Lösungsmittel hergestellt. Die Dispersion kann auf einen Stromkollektor, z. B. eine Kupfer- oder Aluminiummetallfolie, aufgetragen werden und dann bei erhöhter Temperatur getrocknet werden, um das Lösungsmittel zu entfernen. Die Kathoden- und Anodenblätter werden anschließend gestapelt oder gerollt, wobei der Separator die Kathode und die Anode trennt, um eine Batterie zu bilden.
Rund um die Welt wird an der Entwicklung der nächsten Akkugeneration für die Elektromobilität geforscht. Am vielversprechendsten sind hier Feststoffbatterien, die bereits kurz vor der Serienreife stehen und viele Vorteile für den Einsatz in Elektroautos bieten. Feststoffbatterien weisen gegenüber bekannten Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Energiedichte aus, die Akkus können somit kleiner oder bei gleicher Größe leistungsstärker ausgeführt werden, bieten noch mehr Sicherheit und können schneller geladen werden.
Feststoffbatterien benötigen idealerweise keinen Kühlkreislauf, wie er bei Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt notwendig ist. Das spart Platz und Gewicht. Sie können deutlich mehr Ladezyklen erreichen, sich nicht selbst zersetzen oder überhitzen und bieten eine homogenere Stromverteilung. Zudem weisen Feststoffbatterien im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien keine Selbstentladung auf, wodurch die Energieeffizienz weiter gesteigert werden kann. Außerdem können sie mit sehr dünnen Elektrolytschichten gebaut werden, die auch noch flexibel sind.
Die Herstellung von Separatoren für Festkörperelektrolyten ist zeitaufwendig, energieintensiv und damit teuer. Separatoren für Feststoffbatterien müssen für Ionen, insbesondere für Lithium-Ionen, leitende Eigenschaften besitzen. Die Separatoren werden vorzugsweise aus einem Pulver hergestellt, welches in die gewünschte Form gepresst oder unter Zuhilfenahme eines Binders zu einer Grünfolie verarbeitet wird. und anschließend gesintert wird. Anschließend wird der Pressling oder die Grünfolie gesintert, um eine dichte, möglichst porenfreie Membran herzustellen. Damit keine oder nur wenige Poren bei diesem Prozessschritt in der Keramik des Separators zurückbleiben, sind hohe Temperaturen beim Sinterprozess notwendig. Ferner kann die Porosität der Keramik des Separators reduziert werden, indem während des Sinterprozesses uniaxial oder isostatisch Druck auf den Pressling oder die Grünfolie ausgeübt wird.
Aus der US 2021/0 328 207 A1 ist ein System zur Herstellung von Elektroden bekannt. Das System umfasst einen Mechanismus zum Zuführen eines Substrats, einen ersten Aufbringungsbereich, der eine erste Vorrichtung zum Aufbringen einer ersten Schicht auf das Substrat umfasst, wobei die erste Schicht aus einer aktiven Materialmischung und einem Bindemittel besteht und das Bindemittel ein thermoplastisches oder ein duroplastisches Material enthält. Das System weist eine erste Heizvorrichtung auf, die so positioniert ist, dass diese erste Schicht erwärmt wird.
Die US 2010/0 323 118 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Batterieelements aus einem Ausgangsmaterial. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen des Ausgangsmaterials, in dem mindestens eine Komponente gelöst ist; und thermisches Sprühabscheiden des Ausgangsmaterials auf ein Substrat zur Bildung einer Überzugsschicht, so dass die mindestens eine Komponente innerhalb des thermischen Sprühabscheidens synthetisiert wird, bevor sie auf dem Substrat abgeschieden wird.
Aus der US 2017/0 365 854 A1 ist eine wiederaufladbare Batterie bekannt. Die wiederaufladbare Batterie umfasst einen Kathodenfilm, der ein Lithium-Übergangsmetalloxid enthält, einen Separatorfilm, der mit dem Kathodenfilm gekoppelt ist und Ionen leiten kann und einen Festelektrolyt-Zwischenphasenfilm, der mit dem Separator verbunden ist. Dabei ist der Festelektrolyt-Zwischenphasenfilm ein Lithiumfluoridfilm, ein Lithiumcarbonatfilm oder ein Lithiummetallfilm, der mit dem Festelektrolyt-Zwischenphasenfilm gekoppelt ist. Die wiederaufladbare Batterie umfasst ferner einen Anodenstromkollektor, der mit dem Lithiummetallfilm verbunden ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Fertigung eines Separators für eine Batteriezelle zu vereinfachen und die Energieeffizienz der Produktion sowie die Produktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle gelöst, das Folgendes umfasst:

- Zuführen einer metallischen Folie oder eines metallischen Bandes,
- Auftragen eines Pulvers oder einer Grünfolie eines keramischen Materials auf die metallische Folie oder dem metallischen Band,
- Aufheizen des auf die metallische Folie oder auf das metallische Band aufgetragenen Pulvers oder der Grünfolie durch induktive Anregung zumindest einer Komponente des Pulvers oder der Grünfolie, wobei das Pulver oder die Grünfolie über einen Schmelzpunkt hinaus erhitzt und verflüssigt wird und eine Schmelze ausbildet,
- Ausbildung einer keramischen Schicht an einer Oberfläche der metallischen Folie oder des metallischen Bandes durch Abkühlen der Schmelze.

Unter einem Pulver ist in diesem Zusammenhang ein stöchiometrisches Stoffgemisch zu verstehen, aus welchem eine Ionen-leitende, elektrisch isolierende Schicht ausgebildet werden kann. Die Pulvermenge hängt dabei von der gewünschten Dicke der keramischen Schicht ab, welche sich an der Oberfläche der metallischen Folie oder des metallischen Bandes abscheiden soll. Die metallische Folie oder das metallische Band schmilz dabei nicht, da die metallische Folie oder das metallische Band einen höheren Schmelzpunkt als das Pulver hat und/oder die Frequenz und Position des Induktionselements so eingestellt sind, dass primär zumindest eine Komponente des Pulvers und nicht die metallische Folie oder das metallische Band angeregt wird. Alternativ zu einem Pulver kann auch eine Grünfolie der Keramik auf die metallische Folie oder das metallische Band aufgetragen werden.
In einer Schmelzzone bildet sich somit eine flüssige Schmelze der Keramik, welche auf der metallischen Folie spreitet und einen durchgängigen Film ausbildet. In einem anschließenden Abkühlprozess bildet sich an der Oberfläche der metallischen Folie oder des metallischen Bandes eine keramische Schicht zur Verwendung als Festkörperseparator in einer Batteriezelle aus.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine besonders einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung eines Festkörperseparators.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Herstellung eines Separators für eine Batteriezelle möglich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die metallische Folie oder das metallische Band und/oder die auf die Folie oder das Band aufgebrachte keramische Schicht aktiv gekühlt werden. Durch ein aktives Kühlen kann verhindert werden, dass die Schmelze von der metallischen Folie oder dem metallischen Band tropft und somit dem Prozess verloren geht. Insbesondere kann damit verhindert werden, dass es zu unbeschichteten oder ungleichmäßig beschichteten Bereichen der metallischen Folie oder des metallischen Bandes kommt, welche zu einem Ausschuss bei der Herstellung der keramischen Schicht und somit des Festkörperseparators führen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die metallische Folie oder das metallische Band während der Aufschmelzung des Pulvers oder der Grünfolie in horizontaler Richtung und relativ zu einem Element zum induktiven Erhitzen des Pulvers bewegt wird. Bevorzugt ist das Induktionselement dabei als Ringelement ausgeführt, welches die durch das Ringelement geführte metallische Folie oder das metallische Band umschließt. Dadurch kann ein gleichmäßiger Wärmeeintrag in das Pulver oder die Grünfolie realisiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die metallische Folie oder das metallische Band während der Aufschmelzung des Pulvers oder der Grünfolie in vertikaler Richtung und relativ zu einem Element zum induktiven Erhitzen des Pulvers bewegt wird.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Pulver oder die Grünfolie auf beiden Seiten der metallischen Folie oder des metallischen Bandes aufgetragen wird. Eine vertikale Anordnung der metallischen Folie oder des metallischen Bandes ermöglicht es, die metallische Folie oder das Band von beiden Seiten mit Pulver zu beschichten und somit gleichzeitig zwei keramische Schichten an der Oberfläche der metallischen Folie oder des metallischen Bandes zu erzeugen. Um ein Heruntertropfen der Schmelze zu verhindern, ist es bei einer vertikalen Anordnung besonders wichtig, die Schmelze aktiv zu kühlen. Dies kann insbesondere durch einen Gasstrom eines Inertgases, insbesondere Stickstoff erfolgen. Eine beiderseitige Beschichtung ist besonders vorteilhaft, da die induktive Erwärmung während des Aufschmelzens genutzt werden kann, um gleichzeitig zwei keramische Schichten herzustellen. Zudem ist es möglich, während des Aufschmelzvorgangs die Porosität der Keramik des Feststoffseparators einzustellen, wodurch die mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften gezielt beeinflusst werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die metallische Folie oder das metallische Band eine höhere Schmelztemperatur als das Pulver oder die Grünfolie aufweist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass es während des Aufschmelzens des Pulvers oder der Grünfolie nicht zu einer Beschädigung der metallischen Folie oder des metallischen Bandes kommt. Alternativ oder zusätzlich kann die metallische Folie oder das metallische Band auch an einer der Beschichtungsseite für das Pulver oder der Grünfolie abgewandten Seite aktiv gekühlt werden, um eine thermische Schädigung der metallischen Folie oder des metallischen Bandes zu verhindern.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die keramische Schicht nach dem Abkühlen von der metallischen Folie oder dem metallischen Band abgelöst wird. Durch ein Ablösen kann die metallische Folie oder das metallische Band wiederverwendet werden, wodurch der Materialeinsatz und die Produktionskosten reduziert werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die metallische Folie mit der keramischen Schicht nach dem Aufschmelzen des Pulvers oder der Grünfolie kurzzeitig über eine Schmelztemperatur der metallischen Folie erhitzt wird. Durch ein kurzfristiges Erhitzen über die Schmelztemperatur kann die Anbindung von dem Feststoffseparator an die metallische Folie verbessert werden. Insbesondere können durch ein kurzfristiges Anschmelzen die Grenzflächenwiderstände zwischen der metallischen Folie und dem Festkörperseparator verringert werden. Zudem können durch das kurzfristige Anschmelzen Eigenspannungen abgebaut werden, um die Haltbarkeit des Festkörperseparators zu verbessern und die Gefahr einer mechanischen oder thermischen Schädigung des Festkörperseparators im späteren Betrieb der Batterie zu verringern.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die metallische Folie oder das metallische Band aus Kupfer oder Nickel bestehen. Nickel und Kupfer sind bevorzugte Materialen für eine metallische Folie, da sie einen hohen Schmelzpunkt aufweisen und gleichzeitig geeignet sind, als Stromableiter für eine in Situ an der Oberfläche des Festkörperseparators gebildete Anode zu dienen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Pulver zur Herstellung des Festkörperseparators ein oxidisches, ionenleitendes Material, vorzugsweise eine oxidische, Lithium-Ionen leitende Keramik oder Glaskeramik, insbesondere Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid (LLZO), ein Lithium-Aluminium-Titanphosphat, ein Lithium-Lanthan-Titanat oder ein Derivat umfasst. Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid bietet gegenüber elementarem Lithium und anderen Lithiumverbindungen den Vorteil, dass es chemisch und mechanisch besonders stabil ist.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle, umfassend

- Mittel zum Zuführen einer metallischen Folie oder eines metallischen Bandes,
- Mittel zum Auftragen eines Pulvers oder einer Grünfolie auf die metallische Folie oder das metallische Band,
- ein Induktionselement zum induktiven Erhitzen und Aufschmelzen des Pulvers oder der Grünfolie,
- Mittel zum Abkühlen der Schmelze und Ausbildung einer keramischen Schicht an der Oberfläche der metallischen Folie oder des metallischen Bandes, sowie
- ein Steuergerät mit einer Speichereinheit, einem in der Speichereinheit abgelegten maschinenlesbaren Programmcode und einer Recheneinheit, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren durchzuführen, wenn der maschinenlesbare Programmcode durch die Recheneinheit ausgeführt wird.

Eine solche Vorrichtung ermöglicht auf einfache, schnelle und kostengünstige Art und Weise die Herstellung eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle.
In einer weiteren Verbesserung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Mittel zum Abkühlen der Schmelze eine Düse oder mehrere Düsen zur Zufuhr eines Inertgasstroms eines Prozessgases umfassen, welche auf die Schmelze gerichtet ist. Die ermöglicht ein schnelles Abkühlen der Schmelze um zu verhindern, dass die Schmelze von der metallischen Folie oder dem metallischen Band heruntertropft. Als Inertgas kommt insbesondere Stickstoff zur Verwendung, welches eine Reaktion der Schmelze mit Wasserdampf bei Prozesstemperaturen verhindert. Alternativ können auch reaktive Prozessgase eingesetzt werden, welche ein Diffusionsgleichgewicht herstellen und ein Herausdiffundieren des Lithiums aus der Schmelze verhindern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass zum Abkühlen der Schmelze ein Kühlelement vorgesehen ist, welches zwischen dem Induktionselement und der metallischen Folie oder dem Induktionselement und dem metallischen Band angeordnet ist, um ein Aufschmelzen der metallischen Folie oder des metallischen Bandes zu verhindern.
Ferner ist vorgesehen, dass das Kühlelement eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der metallischen Folie und der keramischen Schicht oder zwischen dem metallischen Band und der keramischen Schicht verhindert. Dadurch kann das Ablösen der keramischen Schicht erleichtert werden, sodass der Festkörperseparator einfach und kostengünstig als Bandmaterial bereitgestellt werden kann.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Kühlelement ein von einem Kühlwasserstrom durchflossenes Kühlelement ist. Durch einen Kühlwasserstrom können große Wärmemengen abtransportiert werden, um die metallische Folie und das metallische Band hinreichend zu kühlen, um ein Schmelzen der metallischen Folie oder des metallischen Bandes betriebssicher zu verhindern. Ferner kann durch die starke Wärmeabfuhr sichergestellt werden, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der keramischen Schicht und dem metallischen Band oder der metallischen Folie ausgebildet wird.
Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Festkörperseparator; und
4 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle.

1 zeigt eine Vorrichtung 30 zur Herstellung eines Festkörperseparators 10 für eine Batteriezelle. Die Vorrichtung 30 umfasst Mittel 40, 42 zum Zuführen einer metallischen Folie 12 oder eines metallischen Bandes 13, welche eine erste Aufnahmevorrichtung 40, insbesondere eine Rolle, einen Dorn auf einer Spannhülse oder eine Trommel, umfassen, auf welcher die metallische Folie 12 oder das metallische Band 13 in Form eines Bandmaterials aufgewickelt ist und den weiteren Komponenten der Vorrichtung 30 zugeführt wird. Die Mittel zum Zuführen umfassen ferner eine erste Transportrolle 42, mit welcher die metallische Folie 12 oder das metallische Band 13 umgelenkt werden. Stromabwärts der ersten Umlenkrolle 42 ist eine Applikationseinheit 28 vorgesehen, mit welcher ein Pulver 14 oder eine Grünfolie 26 auf eine Oberfläche 20 der metallischen Folie 12 oder das metallischen Bandes 13 appliziert wird.
Die Vorrichtung 30 umfasst ferner mindestens ein Induktionselement 32 zum Schmelzen des Pulvers 14 oder der Grünfolie 26. Dabei ist das Induktionselement 32 derart angeordnet, dass es in einer Induktionszone I zumindest eine Komponente des Pulvers 14 oder der Grünfolie 26 induktiv anregt und so stark erhitzt wird, dass das Pulver 14 oder die Grünfolie 26 schmelzen. Dabei wird die metallische Folie 12 oder das metallische Band 13 in der mit Pfeilen dargestellten Prozessrichtung horizontal an dem räumlich festen Induktionselement 32 vorbeigeführt. Das Pulver 14 oder die Grünfolie 26 bilden darauf eine Schmelze 16 aus, welche sich gleichmäßig über die Oberfläche 20 der metallischen Folie 12 oder des metallischen Bandes 13 verteilt. Die metallische Folie 12 oder das metallische Band 13 mit der Schmelze 16 werden daraufhin in eine Abkühlzone A gefahren, wo sich an der Oberfläche 20 der metallischen Folie 12 oder des metallischen Bandes 13 eine keramische Schicht 18 ausbildet. Durch das Abkühlen der Schmelze 16 bildet sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der metallischen Folie 12 oder dem metallischen Band und der keramischen Schicht 18 aus.
Die metallische Folie 12 oder das metallische Band 13 mit der keramischen Schicht 18 werden durch eine weitere Transportrolle 44 aus der Abkühlzone A abgeführt und können in einer zweiten Aufnahmevorrichtung 46 aufgenommen werden, um diese einem weiteren Prozess bei der Herstellung einer Batteriezelle zuzuführen.
Die Vorrichtung 30 umfasst ferner ein Steuergerät 50 mit einer Speichereinheit 52 und einer Recheneinheit 54. In der Speichereinheit 52 ist ein maschinenlesbarer Programmcode 56 zur Steuerung der Vorrichtung und zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens abgelegt. Dabei ist das Steuergerät 50 dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators 10 mit der beschriebenen Vorrichtung 30 auszuführen, wenn der maschinenlesbare Programmcode 56 durch die Recheneinheit 54 ausgeführt wird.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30 zur Herstellung eines Festkörperseparators 10 für eine Batteriezelle dargestellt. Die Vorrichtung 30 umfasst Mittel 40, 42 zum Zuführen einer metallischen Folie 12 oder eines metallischen Bandes 13, welche eine erste Aufnahmevorrichtung 40, insbesondere eine Rolle, einen Dorn auf einer Spannhülse oder eine Trommel, umfassen, auf welcher die metallische Folie 12 oder das metallische Band 13 in Form eines Bandmaterials aufgewickelt ist und den weiteren Komponenten der Vorrichtung 30 zugeführt wird. Die Mittel zum Zuführen umfassen ferner eine erste Transportrolle 42, mit welcher die metallische Folie 12 oder das metallische Band 13 umgelenkt werden. Stromabwärts der ersten Umlenkrolle 42 ist eine Applikationseinheit 28 vorgesehen, mit welcher ein Pulver 14 oder eine Grünfolie 26 auf eine Oberfläche 20 der metallischen Folie 12 oder das metallischen Bandes 13 appliziert wird. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das metallische Band 13 oder die metallische Folie 12 in vertikaler Richtung durch das Induktionselement 32 geführt. Dies ermöglicht es, auf beiden Seiten 22, 24 der metallische Folie 12 oder des metallischen Bandes 13 ein Pulver 14 oder eine Grünfolie 26 aufzubringen.
Die Vorrichtung 30 umfasst ferner mindestens ein Induktionselement 32 zum Schmelzen des Pulvers 14 oder der Grünfolie 26. Dabei ist das Induktionselement 32 derart angeordnet, dass es in einer Induktionszone I zumindest eine Komponente des Pulvers 14 oder der Grünfolie 26 induktiv anregt und so stark erhitzt wird, dass das Pulver 14 oder die Grünfolie 26 schmelzen. Dabei wird die metallische Folie 12 oder das metallische Band 13 in der mit Pfeilen dargestellten Prozessrichtung vertikal an dem räumlich festen Induktionselement 32 vorbeigeführt. Das Pulver 14 oder die Grünfolie 26 bilden darauf eine Schmelze 16 aus, welche sich gleichmäßig über die Oberfläche 20 der metallischen Folie 12 oder des metallischen Bandes 13 verteilt. Um ein Herabtropfen der Schmelze zu vermeiden, ist eine aktive Kühlung unmittelbar nach dem Aufschmelzen des Pulvers 14 oder der Grünfolie 26 vorgesehen. Dazu wird über ein Kühlelement 24 ein Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, auf die Oberfläche 20 der metallischen Folie 12 oder des metallischen Bandes 13 geblasen, um die Schmelze 16 abzukühlen.
Die metallische Folie 12 oder das metallische Band 13 mit der Schmelze 16 werden daraufhin in eine Abkühlzone A gefahren, wo sich an der Oberfläche 20 der metallischen Folie 12 oder des metallischen Bandes 13 eine keramische Schicht 18 ausbildet. Durch das Abkühlen der Schmelze 16 bildet sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der metallischen Folie 12 oder dem metallischen Band und der keramischen Schicht 18.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 zur Herstellung eines Festkörperseparators 10 für eine Batteriezelle dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichen Aufbau wie zu 1 ausgeführt, wird im Folgenden nur auf die Unterschiede beziehungsweise zusätzlichen Merkmale der in 3 beschriebenen Vorrichtung 30 eingegangen. Gegenüber der in 1 dargestellten Vorrichtung 30 ist zusätzlich ein Kühlelement 34 vorgesehen, welches zwischen dem Induktionselement 32 und der metallischen Folie 12 oder dem metallischen Band 13 angeordnet ist, um die metallische Folie 12 oder das metallische Band 13 an der dem applizierten Pulver 14 oder der applizierten Grünfolie 26 abgewandten Seite zu kühlen. Das Kühlelement 34 ist vorzugsweise als von einem flüssigen Kühlmittelstrom durchströmtes Flüssigkeitskühlelement 38 ausgebildet. Durch das Flüssigkeitskühlelement 38 ist es möglich, dass die keramische Schicht 18 im direkten Kontakt mit der metallischen Folie 12 oder dem metallischen Band 13 nicht aufgeschmolzen wird und somit keine stoffschlüssige Verbindung mit der metallischen Folie 12 oder dem metallischen Band 13 ausbildet. Dies ermöglicht ein einfaches Ablösen der keramischen Schicht 18 von der metallischen Folie 12 oder dem metallischen Band 13 in der Abkühlzone A durch ein Ablöseelement 48. Somit kann die keramische Schicht 18 als Festkörperseparator 10 zur Herstellung einer Batteriezelle verwendet werden, während die metallische Folie 12 oder das metallische Band 13 wiederverwendet werden können. Dadurch steigt die Effizienz des Prozesses, da deutlich weniger metallische Folie 12 oder metallisches Band 13 benötigt wird.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Festkörperseparators 10 für eine Batteriezelle. In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird eine metallische Folie 12 oder ein metallisches Band 13 einem Beschichtungsprozess zugeführt. Dies erfolgt in Form eines Bandmaterials, welches von einer ersten Aufnahmevorrichtung 40 der Vorrichtung 30 abgewickelt wird. In einem Verfahrensschritt <110> wird ein Pulver 14 oder eine Grünfolie 26 einer für einen Festkörperseparator 10 geeigneten Keramik auf eine Oberfläche 20 der metallischen Folie 12 oder des metallischen Bandes 13 aufgetragen. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt <120> die metallische Folie 12 oder das metallische Band 13 mit dem aufgetragenen Pulver 14 oder der applizierten Grünfolie 26 einem Induktionselement 32 zugeführt, wobei zumindest eine Komponente des aufgetragenen Pulvers 14 oder der Grünfolie 26 durch induktive Anregung durch das Induktionselement 32 über einen Schmelzpunkt erhitzt wird, sodass das Pulver 14 oder die Grünfolie 26 verflüssigt wird und eine Schmelze 16 ausbildet. In einem Verfahrensschritt <130> wird an der Oberfläche 20 der metallischen Folie 12 oder des metallischen Bandes 13 durch Abkühlen der Schmelze 16 eine keramische Schicht 18 ausgebildet, welche als Festkörperseparator 10 in einer Batteriezelle genutzt werden kann. Durch eine geeignete Kühlung der metallischen Folie 12 oder des metallischen Bandes 13 beim Aufschmelzen des Pulvers 14 oder der Grünfolie 26 kann verhindert werden, dass es beim Abkühlen der Schmelze 16 zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der keramischen Schicht 18 und der metallischen Folie 12 oder dem metallischen Band 13 kommt. In diesem Fall lässt sich in einem Verfahrensschritt <140> auf einfache Art und Weise die keramische Schicht 18 von der metallischen Folie 12 oder dem metallischen Band 13 ablösen. Die metallische Folie 12 oder das metallische Band kann in diesem Fall wiederverwendet werden, wodurch der Rohstoffeinsatz für den Herstellungsprozess reduziert werden und die Effizienz der Vorrichtung 30 verbessert werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Festkörperseparator
12: metallische Folie
13: metallisches Band
14: Pulver
16: Schmelze
18: keramische Schicht
20: Oberfläche
22: erste Seite
24: zweite Seite
26: Grünfolie
28: Applikationseinheit
30: Vorrichtung
32: Induktionselement
34: Kühlelement
36: Düse
38: Flüssigkeitskühlelement
40: erste Aufnahmevorrichtung
42: erste Transportrolle
44: zweite Transportrolle
46: zweite Aufnahmevorrichtung
48: Ablöseelement
50: Steuergerät
52: Speichereinheit
54: Recheneinheit
56: maschinenlesbarer Programmcode
I: durch Induktion angeregter Bereich
S: Schmelzzone
A: Abkühlzone

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2021/0328207 A1 [0007]
US 2010/0323118 A1 [0008]
US 2017/0365854 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (10) für eine Batteriezelle, umfassend: - Zuführen einer metallischen Folie (12) oder eines metallischen Bandes (13), - Auftragen eines Pulvers (14) oder einer Grünfolie (26) eines keramischen Materials auf die metallische Folie (12) oder auf das metallische Band (13), - Aufheizen des auf die metallische Folie (12) oder auf das metallische Band (13) aufgetragenen Pulvers (14) oder der Grünfolie (26) durch induktive Anregung zumindest einer Komponente des Pulvers (14) oder der Grünfolie (26), wobei das Pulver (14) oder die Grünfolie (26) über einen Schmelzpunkt erhitzt und verflüssigt wird und eine Schmelze (16) ausbildet, - Ausbilden einer keramischen Schicht (18) an einer Oberfläche (20) der metallischen Folie (12) oder des metallischen Bandes (13) durch Abkühlen der Schmelze (16).
Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (10) für eine Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die metallische Folie (12) oder das metallische Band (13) und/oder die auf die Folie (12) oder das Band (13) aufgebrachte keramische Schicht (18) aktiv gekühlt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (10) für eine Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die metallische Folie (12) oder das metallische Band (13) während der Aufschmelzung des Pulvers (14) oder der Grünfolie (26) in horizontaler Richtung relativ zu einem Element (32) zum induktiven Erhitzen des Pulvers (14) bewegt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (10) für eine Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die metallische Folie (12) oder das metallische Band (13) während der Aufschmelzung des Pulvers (14) oder der Grünfolie (26) in vertikaler Richtung relativ zu einem Element (32) zum induktiven Erhitzen des Pulvers (14) bewegt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (10) nach Anspruch 4, wobei das Pulver (14) oder die Grünfolie (26) auf beide Seiten (22, 24) der metallischen Folie (12) oder des metallischen Bandes (13) aufgetragen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (10) für eine Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die metallische Folie (12) oder das metallische Band (13) eine höhere Schmelztemperatur als das Pulver (14) oder die Grünfolie (26) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (10) für eine Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die keramische Schicht (18) nach dem Abkühlen von der metallischen Folie (12) oder dem metallischen Band (13) abgelöst wird.
Vorrichtung (30) zur Herstellung eines Festkörperseparators (10) für eine Batteriezelle, umfassend - Mittel (40, 42) zum Zuführen einer metallischen Folie (12) oder eines metallischen Bandes (13), - Mittel zum Auftragen eines Pulvers (14) oder einer Grünfolie (26) auf die metallische Folie (12) oder auf das metallische Band (13), - ein Induktionselement (32) zum induktiven Erhitzen und Aufschmelzen des Pulvers (14) oder der Grünfolie (26), - Mittel (34, 36, 38) zum Abkühlen der Schmelze (16) und Ausbildung einer keramischen Schicht (18) an der Oberfläche der metallischen Folie (12) oder des metallischen Bandes (13) sowie - ein Steuergerät (50) mit einer Speichereinheit (52), einem in der Speichereinheit (52) abgelegten maschinenlesbaren Programmcode (56) und einer Recheneinheit (54), wobei das Steuergerät (50) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn der maschinenlesbare Programmcode (56) durch die Recheneinheit (54) ausgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Mittel (34, 36) zum Abkühlen der Schmelze (16) eine Düse (36) zur Zufuhr eines Inertgasstroms umfassen, welche auf die Schmelze (16) gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Mittel (34, 36, 38) zum Abkühlen der Schmelze (16) ein Kühlelement (34), insbesondere ein von einem Kühlwasserstrom durchströmtes Flüssigkeitskühlelement (38) umfassen, welches zwischen dem Induktionselement (32) und der metallischen Folie (12) oder zwischen dem Induktionselement (32) und dem metallischen Band (13) angeordnet ist, um ein Aufschmelzen der metallischen Folie (12) oder des metallischen Bandes (13) und/oder eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der metallischen Folie (12) oder dem metallischen Band (13) und der keramischen Schicht (18) zu verhindern.