DE102022112885A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (16) für eine Batteriezelle, welches folgende Verfahrensschritte umfasst:
- Herstellen eines Grünlings (12) eines keramischen Feststoffseparators (16),
- Anordnen des Grünlings (12) auf einem Trägerelement (10),
- Beschichten des Grünlings (12) mit einer Lithium-Dampfsperre (14) und/oder einem Feuchteschutz vor einem Sinterprozess des Grünlings (12), um eine unerwünschte Reaktion des Grünlings mit dem in der Umgebungsluft enthaltenen Wasserdampf und/oder ein Ausdampfen von Lithium aus dem Grünling (12) zu verhindern,
- Sintern des beschichteten Grünlings (12) zu einem keramischen Festkörperseparator (16).
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Zellstapels einer Batteriezelle mit einem solchen Festkörperseparator (16) sowie eine Vorrichtung (100) zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Festkörperseparators 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.
  • Die Herstellung von Separatoren für Festkörperelektrolyten ist zeitaufwendig, energieintensiv und damit teuer. In der Regel werde solche Separatoren auf einzelnen Blättern hergestellt, wobei ein Trägermaterial mit Festkörperseparator beschichtet wird. Anschließend wird der Verbund aus Trägermaterial und Festkörperseparator getrocknet und das Trägermaterial entfernt, wodurch ein Grünling des Festkörperseparators entsteht. Dieser Grünling wird anschließend in einem Sinterprozess zum fertigen Festkörperseparator weiterverarbeitet. Da die Herstellung aus einzelnen Blättern erfolgt, ist zudem ein erhöhter Bearbeitungsaufwand beim Beschichten, Trocknen und Sintern des Festkörperseparators notwendig.
  • Festkörperseparatoren weisen eine Instabilität gegenüber Luftfeuchte und Luftsauerstoff auf. Darüber hinaus verdampft beim Sinterprozess ein Teil des in dem Grünling enthaltenen Lithiums, sodass dieser nicht für die lonenleitung in einer Batteriezelle zur Verfügung steht. Sowohl das Verdampfen des Lithiums beim Sinterprozess als auch die Reaktion mit den Luftbestandteilen verringern die Lithium-Ionen-Leitfähigkeit des Festkörperseparators und somit die elektrische Leistungsfähigkeit der Batteriezelle, in welcher ein solcher Festkörperseparator verwendet wird.
  • Eine Möglichkeit den Grünling gegen das Verdampfen von Lithium und einer Schädigung durch Luftbestandteile zu schützen, ist die Prozessführung unter einer Schutzgasatmosphäre. Jedoch ist eine solche Prozessführung unter Schutzgasatmosphäre entsprechend aufwändig und kostenintensiv. Eine Möglichkeit, das Ausdampfen von Lithium aus dem Grünling zu vermeiden, ist das Abdecken des Grünlings mit einer Schutzplatte mit entsprechend hohem Lithium-Anteil. Ferner ist bekannt, den Lithium-Anteil in dem Grünling über das stöchiometrische Verhältnis der Keramik zu erhöhen und somit einen Anteil an Lithium vorzuhalten, welcher beim Sinterprozess durch das Verdampfen verloren geht. Jedoch ist auch ein solcher Prozess entsprechend aufwendig und kostenintensiv.
  • Aus der US 2017/0 324 073 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle bekannt. Die Lithium-Ionen-Batterie umfasst eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen Separator, der mit einem dünnen Film aus Lithiummetall beschichtet ist, wobei die Dicke des Lithiums kleiner oder gleich einer Dicke ist, die ausreicht, um den irreversiblen Verlust von Lithium während des ersten Zyklus der Batterie auszugleichen. Auf dem Separator befindet sich eine Keramikschicht. Zwischen der Keramikschicht und der Lithiummetall-Dünnschicht befindet sich eine Sperrschicht, welche die Bildung von Li-Dendriten blockiert. Darüber hinaus kann der Separator Poren aufweisen, die mit einem lithiumionenleitenden Polymer, einem in einem flüssigen Elektrolyten löslichen Bindemittel und einem lithiumionenleitenden Keramikmaterial gefüllt sind.
  • Die US 2017/0 214 055 A1 offenbart Alkali- (oder andere aktive) Metallbatterien und andere elektrochemische Zellen, die aktive Metallanoden zusammen mit wässrigen Kathoden/Elektrolytsystemen enthalten. Die Batteriezellen verfügen über eine hochgradig ionisch leitfähige Schutzmembran neben der Alkalimetallanode, welche die Alkalimetallelektrode wirksam vom Lösungsmittel isoliert (gleichstromgekoppelt), Elektrolytverarbeitung und/oder Kathodenumgebung isoliert und gleichzeitig den Ionentransport in und aus diesen Umgebungen ermöglicht. Die Isolierung der Anode von anderen Komponenten einer Batteriezelle ermöglicht die Verwendung von praktisch jedem Lösungsmittel, Elektrolyt und/oder Kathodenmaterial in Verbindung mit der Anode.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile bei der Herstellung eines Festkörperseparators zu überwinden und die Herstellung eines Festkörperseparators zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
    • - Herstellen eines Grünlings eines keramischen Feststoffseparators,
    • - Anordnen des Grünlings auf einem Trägerelement,
    • - Beschichten des Grünlings mit einer Lithium-Dampfsperre und/oder einem Feuchteschutz vor einem Sinterprozess des Grünlings, um eine unerwünschte Reaktion des Grünlings mit dem in der Umgebungsluft enthaltenen Wasserdampf und/oder ein Ausdampfen von Lithium aus dem Grünling zu verhindern,
    • - Sintern des mit der Lithium-Dampfsperre und/oder dem Feuchteschutz beschichteten Grünlings zu einem keramischen Festkörperseparator.
  • Unter einer Lithium-Dampfsperre ist eine Schutzschicht zu verstehen, welche bei einem Erhitzen des Grünlings im Rahmen eines Trocknungsprozess oder Sinterprozess ein Verdampfen von Lithium aus dem Grünling minimiert. Insbesondere wird durch die Lithium-Dampfsperre verhindert, dass Lithium aufgrund des hohen Dampfdruckes während des Sinterprozesses aus dem Grünling entweicht und der Lithiumanteil in der aus dem Grünling gesinterten Keramik unterhalb des Lithiumanteils des Grünlings liegt. Unter einem Feuchteschutz ist eine Schutzschicht zu verstehen, welche die Reaktion des Grünlings mit der Luftfeuchte oder Kohlenstoffdioxid verhindert und bei einem Erhitzen des Grünlings im Rahmen eines Trocknungsprozess oder Sinterprozess eine chemische Reaktion des Grünlings mit dem Wasserdampf oder dem Kohlenstoffdioxid verhindert. Dadurch kann die Leitfähigkeit des keramischen Festkörperseparators für Lithium-Ionen verbessert und somit die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle erhöht werden. Unter einem Trägerelement ist dabei jede Form von Träger zu verstehen, welcher dazu geeignet ist, den Grünling durch eine Sintervorrichtung, insbesondere durch einen Sinterofen zu führen und somit die Herstellung eines keramischen Festkörperseparators aus dem Grünling zu ermöglichen.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht triviale Weiterentwicklungen des Verfahrens zur Herstellung eines Festkörperseparators möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Grünling auf seiner dem Trägerelement abgewandten Seite mit der Lithium-Dampfsperre und/oder dem Feuchteschutz beschichtet wird. Eine auf der dem Trägerelement abgewandten Seite des Grünlings aufgetragene Lithium-Dampfsperre oder ein Feuchteschutz sind eine besonders einfache und kostengünstige Möglichkeit, um den Grünling vor einer Beschädigung durch Luftfeuchte, Luftsauerstoff oder Kohlenstoffdioxid zu schützen. Ferner kann durch eine Lithium-Dampfsperre an der dem Trägerelement abgewandten Seite effizient verhindert werden, dass größere Mengen an Lithium beim Erhitzen des Grünlings aus dem Grünling ausdampfen.
  • In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Trägerfolie von dem Grünling entfernt wird und der Grünling zusätzlich an seiner dem Trägerelement zugewandten Seite mit der Lithium-Dampfsperre und/oder dem Feuchtschutz beschichtet wird. Durch eine beidseitige Beschichtung des Grünlings kann die Effizienz der Lithium-Dampfsperre und/oder des Feuchteschutzes weiter erhöht werden. Somit ist der Grünling noch effektiver gegen ein Ausdampfen von Lithium oder eine unerwünschte Reaktion mit der Luftfeuchte, dem Luftsauerstoff oder Kohlenstoffdioxid geschützt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Lithium-Dampfsperre und/oder der Feuchteschutz als dünne Schicht auf den Grünling aufgetragen wird. Unter einer dünnen Schicht ist in diesem Zusammenhang eine Lithium-Dampfsperre oder ein Feuchteschutz mit einer Schichtdicke von weniger als 15 µm, vorzugsweise von weniger als 5 µm, besonders bevorzugt von weniger als 2 µm anzusehen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Lithium-Dampfsperre und/oder der Feuchteschutz durch eine Schlitzdüsen-Beschichtung (engl. Slot-Die-Casting) auf den Grünling aufgetragen wird. Durch eine Schlitzdüsen-Beschichtung kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine flüssige Beschichtung als Lithium-Dampfsperre auf den Grünling aufgetragen werden.
  • Alternativ ist ein Auftragen der Lithium-Dampfsperre und/oder des Feuchteschutzes durch Auftragswalzen, insbesondere durch gegenläufige Auftragswalzen möglich, welche die Lithium-Dampfsperre und/oder den Feuchteschutz auf den Grünling auftragen. Das Auftragen mit Auftragswalzen stellt jedoch eine zusätzliche Herausforderung an die Prozessführung, da der Grünling des Festkörperseparators vor dem Sintern noch relativ fragil ist und die Auftragswalzen den Grünling bei ungünstigen Prozessparametern beschädigen könnten.
  • Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Lithium-Dampfsperre und/oder der Feuchteschutz auf den Grünling aufgedruckt wird. Durch ein Aufdrucken der Lithium-Dampfsperre und/oder des Feuchteschutzes kann eine besonders dünne Lithium-Dampfsperre und/oder ein besonders dünner Feuchteschutz ausgebildet werden. Das Aufdrucken kann beispielsweise mittels Siebdruck- oder Strahldruck-Verfahren erfolgen.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die dünne Schicht eine Schichtdicke von 0,5 µm bis 15 µm aufweist. Somit sind die Lithium Dampfsperre und/oder der Feuchteschutz auf der einen Seite dick genug, um ein Verdampfen von Lithium oder eine Schädigung des Grünlings durch Luftfeuchte, Luftsauerstoff oder Kohlenstoffdioxid zu vermeiden, zum anderen dünn genug, um die Eigenschaften des Grünlings beim Sintern nicht maßgeblich zu verändern. Zudem führt eine dünne Schicht mit der angegebenen Schichtdicke dazu, dass der Materieleinsatz für die Lithium-Dampfsperre und/oder den Feuchteschutz minimiert werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Lithium-Dampfsperre eine Polymerschicht ist oder eine Polymerschicht umfasst. Die Polymerschicht kann sich im weiteren Prozess in eine dünne Kohlenstoffschicht umwandeln, welche die Oberfläche des keramischen Festkörperseparators schützt. Alternativ kann die Polymerschicht auch beim Aufheizen und Sintern des Grünlings verdampfen, sodass der Grünling nach dem Sintern im Wesentlichen frei von einer Beschichtung ist und die elektrochemischen und mechanischen Eigenschaften der durch das Sintern hergestellten Keramik aufweist.
  • In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach dem Sintern des mit der Lithium-Dampfsperre und/oder des Feuchteschutzes beschichteten Grünlings und vor der Weiterverarbeitung des gesinterten Festkörperseparators, insbesondere vor einem Abkühlprozess des keramischen Festkörperseparators, eine weitere Schutzschicht auf den gesinterten keramischen Festkörperseparator aufgetragen wird. Durch die weitere Schutzschicht kann verhindert werden, dass der keramische Festkörperseparator in der Abkühlphase nach dem Sinterprozess beschädigt wird und Fremdstoffe in die Keramik hereindiffundieren. Insbesondere verhindert die weitere Schutzschicht ein Ausdampfen von Lithium und eine Versprödung des keramischen Festkörperseparators.
  • Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft die Herstellung eines Zellstapels für eine Batteriezelle mit einem in den vorherstehenden Absätzen beschriebenen Verfahren hergestellten keramischen Festkörperseparator, wobei die Lithium-Dampfsperre, der Feuchteschutz und/oder eine weitere auf den keramischen Festkörperseparator aufgebrachte Schutzschicht vor dem Stapelprozess des Zellstapels entfernt wird. Durch ein Entfernen der Lithium-Dampfsperre, des Feuchteschutzes und/oder der weiteren Schutzschicht kann der Übergangswiderstand zwischen den weiteren Komponenten des Zellstapels und dem keramischen Festkörperseparator reduziert werden. Dadurch wird die Leitfähigkeit für Lithium-Ionen und damit verbunden die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle erhöht.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Lithium-Dampfsperre und/oder die weitere Schutzschicht durch den Elektrolyten im Zellverbund aufgelöst wird. Bei Feststoffzellen kann ein Gelelektrolyt eingesetzt werden. Hierin kann sich die Schutzschicht potenziell auflösen. Dieses ist auf der Kathode der Fall. Weiterhin kann auf der Anodenseite, bei der Abscheidung und Auflösung des Lithiums diese Schicht entsprechend dem elektrochemischen Prozess aufgelöst oder zersetzt werden.
  • Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Lithium-Dampfsperre, der Feuchteschutz und/oder die weitere Schutzschicht durch eine Behandlung der Oberfläche des keramischen Festkörperseparators mit UV-Strahlung entfernt wird. Durch UV-Strahlung kann das Material der Lithium-Dampfsperre und/oder des Feuchteschutzes zersetzt und damit von der Oberfläche des keramischen Festkörperseparators abgelöst werden. Somit kann die Anbindung des keramischen Festkörperseparators an die weiteren Komponenten des Zellstapels, insbesondere an eine Anode, eine Kathode oder einen Stromableiter verbessert werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Alternative des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Lithium-Dampfsperre, der Feuchteschutz und/oder die weitere Schutzschicht durch eine Plasma-Behandlung der Oberfläche des keramischen Festkörperseparators entfernt wird. Durch eine Plasma-Behandlung wird eine deutlich verbesserte Benetzbarkeit der Oberfläche des keramischen Festkörperseparators erreicht, wodurch der Übergangswiderstand zwischen einer weiteren Komponente des Zellstapels und dem Festkörperseparator verringert werden kann. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle erhöht werden.
  • Gemäß einer weiteren Alternative des Verfahrens können die Lithium-Dampfsperre, der Feuchteschutz und/oder die weitere Schutzschicht durch ein für die Lithium-Dampfsperre und/oder die weitere Schutzschicht spezifisches Lösungsmittel von der Oberfläche des keramischen Festkörperseparators entfernt werden. Durch ein entsprechendes Lösungsmittel kann die Lithium-Dampfsperre, der Feuchteschutz oder die weitere Schutzschicht vor dem Bilden des Zellstapels rückstandslos entfernt werden. Da nach dem Sintern und Abkühlen die Gefahr von einer unerwünschten Sekundärreaktion mit der Luftfeuchte, dem Luftsauerstoff oder Kohlenstoffdioxid nicht mehr vorhanden oder zumindest stark eingeschränkt ist, wird die Lithium-Dampfsperre oder die Schutzschicht nicht mehr benötigt. Auch die Gefahr eines Ausdampfens von Lithium ist nach dem Abkühlen der Keramik nicht mehr gegeben, sodass auch das Risiko einer reduzierten Leistungsfähigkeit des Festkörperseparators durch einen zu geringen Lithium-Anteil nicht mehr vorhanden ist.
  • Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle. Die Vorrichtung umfasst Mittel zur Herstellung eines Grünlings eines keramischen Festkörperseparators. Die Vorrichtung umfasst ferner Mittel zur Anordnung des Grünlings auf einem Trägerelement, insbesondere einer Trägerfolie oder einem Gitterrost. Die Mittel zur Anordnung des Grünlings umfassen insbesondere eine Auftragevorrichtung, mit welcher der Grünling auf ein Trägerelement aufgetragen wird. Alternativ könne die Mittel zur Anordnung des Grünlings auch eine Zufuhrvorrichtung oder eine Stapelvorrichtung aufweisen, mit welcher der Grünling auf das Trägerelement aufgeschüttet oder aufgesetzt wird. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Lithium-Dampfsperren-Applikator, mit welchem die Lithium-Dampfsperre und/oder ein Feuchteschutz in geeigneter Art und Weise auf den Grünling aufgetragen wird. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Sintervorrichtung, um den mit der Lithium-Dampfsperre und/oder dem Feuchteschutz beschichteten Grünling zu sintern und dadurch einen keramischen Festkörperseparator herzustellen. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung ein Steuergerät zur Steuerung des Herstellverfahrens des keramischen Festkörperseparators, welches eine Speichereinheit, einen in der Speichereinheit abgelegten maschinenlesbaren Programmcode sowie eine Recheneinheit aufweist. Dabei ist das Steuergerät dazu eingerichtet, mithilfe der Vorrichtung ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators durchzuführen, wenn der maschinenlesbare Programmcode durch die Recheneinheit des Steuergeräts ausgeführt wird.
  • Eine solche Vorrichtung ermöglicht es, den Herstellungsprozess des keramischen Festkörperseparators zu vereinfachen und auf eine Schutzgasatmosphäre, eine Abdeckung des Grünlings im Sinterverfahren oder eine Über-Lithiierung des Grünlings zu verzichten. Dadurch können der Herstellprozess vereinfacht und die Herstellkosten reduziert werden.
  • 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 einen erfindungsgemäßen Festkörperseparator für eine Batteriezelle,
    • 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines solchen Festkörperseparators, und
    • 3 ein Ablaufdiagramm bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Festkörperseparators für eine Batteriezelle.
  • 1 zeigt einen Grünling 12 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperseparators 16 für eine Batteriezelle. Der Grünling 12 ist auf einem Trägerelement 10 angeordnet, welcher den Grünling 12 stützt und dazu eingerichtet ist, den Grünling 12 aufzunehmen, um den Grünling 12 in einem Sinterprozess in einen keramischen Festkörperseparator 16 zu überführen. Der Grünling 12 ist mit einer Lithium-Dampfsperre 14 und/oder einem Feuchteschutz beschichtet, welche auf eine dem Trägerelement 10 abgewandte Oberfläche des Grünlings 12 aufgebracht ist. Alternativ kann der Grünling 12 auch zusätzlich auf der dem Trägerelement 10 zugewandten Seite mit einer weiteren Lithium-Dampfsperre 14 und/oder einem weiteren Feuchteschutz beschichtet sein, und die Gefahr einer unerwünschten Reaktion mit Luftfeuchte, Luftsauerstoff oder Kohlenstoffdioxid zu vermeiden und die Gefahr eines Ausdampfen von Lithium aus dem Grünling 12 aufgrund des hohen Dampfdrucks von Lithium beim Erhitzen weiter zu verringern.
  • In 2 ist schematisch eine Vorrichtung 100 zur Herstellung eines Festkörperseparators 16 für eine Batteriezelle dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Auftragevorrichtung 20, mit welcher ein Grünling 12 auf ein Trägerelement 10 aufgetragen wird. Dies kann in Abhängigkeit von der Art des Grünlings 12 durch unterschiedliche Prozesse erfolgen. Wird der Grünling 12 in Form eines Blattmaterials auf das Trägerelement 10 aufgetragen, so erfolgt der Auftrageprozess bevorzugt durch einen Stapel-, Schütt- oder Setzprozess. Wird der Grünling 12 kontinuierlich auf ein band- oder folienförmiges Trägerelement 10 aufgetragen, so erfolgt der Auftrageprozess bevorzugt durch das Aufbringen eines Schlickers oder eines Pulvers auf das Trägerelement 10. Die Vorrichtung 100 umfasst ferner einen Lithium-Dampfsperren-Applikator 22, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest auf die dem Trägerelement 10 abgewandte Oberfläche des Grünlings 12 eine Lithium-Dampfsperre 14 und/oder einen Feuchteschutz, insbesondere eine Polymerschicht, zu applizieren. Dies erfolgt bevorzugt durch einen Beschichtungsprozess oder ein Aufdrucken der Lithium-Dampfsperre 14 und/oder des Feuchteschutzes auf den Grünling 12.
  • Die Vorrichtung 100 umfasst ferner eine Sintervorrichtung 24, insbesondere einen Sinterofen, um den Grünling 12 zu Sintern und aus dem Grünling 12 einen keramischen Festkörperseparator 16 herzustellen. Der Sintervorrichtung 24 ist eine Abkühleinheit nachgeschaltet, um den keramischen Festkörperseparator 16 nach dem Sintern abzukühlen. In dieser Abkühleinheit kann ein weiterer Schutzschicht-Applikator 26 angeordnet sein, um eine weitere Schutzschicht 18 auf die Oberfläche der gesinterten Keramik des keramischen Festkörperseparators 16 aufzubringen. Dies kann insbesondere durch einen weiteren Beschichtungsprozess erfolgen. Ferner kann die Vorrichtung 100 zur Herstellung des Festkörperseparators 16 eine Ablöseeinheit 28 umfassen, mit welcher die Lithium-Dampfsperre 14, der Feuchteschutz und/oder die weitere Schutzschicht 18 von dem keramischen Festkörperseparator 16 entfernt werden, wenn dieser nach dem Sintern seine endgültigen chemischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften erhalten hat. Das Ablösen der Lithium-Dampfsperre 14, des Feuchteschutzes oder der weiteren Schutzschicht 18 kann insbesondere durch eine Bestrahlung des Festkörperseparators 16 mit UV-Licht, durch eine Plasma-Behandlung der Oberfläche des Festkörperseparators 16 oder durch ein geeignetes Lösungsmittel erfolgen.
  • Die Vorrichtung 100 umfasst ferner ein Steuergerät 30 mit einer Speichereinheit 32 und einer Recheneinheit 34. In der Speichereinheit 32 ist ein maschinenlesbarer Programmcode 36 zur Steuerung der Vorrichtung und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens abgelegt. Dabei ist das Steuergerät 30 dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators 16 mit der beschriebenen Vorrichtung 100 auszuführen, wenn der maschinenlesbare Programmcode 36 durch die Recheneinheit 34 ausgeführt wird.
  • In 3 ist ein Ablaufdiagramm zur Herstellung des erfindungsgemäßen Festkörperseparators 16 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird ein Grünling 12 eines keramischen Festkörperseparators 16 hergestellt. In einem Verfahrensschritt <110> wird dieser Grünling 12 auf einem Trägerelement 10 angeordnet oder in einem kontinuierlichen Verfahren auf ein Trägerelement 10 aufgetragen. In einem Verfahrensschritt <120> wird der Grünling 12 mit einer Lithium-Dampfsperre 14 und/oder einem Feuchteschutz beschichtet, um eine unerwünschte Reaktion des Grünlings 12 mit dem in der Umgebungsluft enthaltenen Wasserdampf, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und/oder ein Ausdampfen von Lithium aus dem Grünling 12 bei einem nachfolgenden Sinterprozess zu verhindern. In einem Verfahrensschritt <130> wird der mit der Lithium-Dampfsperre 14 und/oder dem Feuchteschutz beschichtete Grünling 12 gesintert, sodass ein keramischer Festkörperseparator 16 entsteht. In einem Verfahrensschritt <140> kann nach dem Sintern eine weitere Schutzschicht 18 auf den Festkörperseparator 16 aufgetragen werden, um eine unerwünschte Reaktion des Festkörperseparators 16 in einem Abkühlprozess zu verhindern. Dies erfolgt insbesondere dann, wenn die im Verfahrensschritt <120> aufgetragenen Lithium-Dampfsperre 14 und/oder der Feuchteschutz nicht thermisch stabil gegenüber dem Sinterprozess ist. Sind die Lithium-Dampfsperre 14 und/oder der Feuchteschutz thermisch stabil, so weist der keramische Festkörperseparator 16 auch nach dem Sintern eine entsprechende Lithium-Dampfsperre 14 und/oder einen Feuchteschutz auf, welche unerwünschte Nebenreaktionen und ein Ausdampfen von Lithium beim Abkühlen verhindert. In diesem Fall kann auf das Auftragen der weiteren Schutzschicht 18 verzichtet werden. In einem Verfahrensschritt <150> kühlt der keramische Festkörperseparators 16 ab, wobei er seine endgültigen chemischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften erhält. In einem Verfahrensschritt <160> können die Lithium-Dampfsperre 14, der Feuchteschutz und/oder die weitere Schutzschicht 18 von dem keramischen Festkörperseparator 16 entfernt werden, um einen beschichtungsfreien Festkörperseparator 16 vor der Weiterverarbeitung im Rahmen der Herstellung eines Zellstapels für eine Batteriezelle zu schaffen. Das Entfernen der Lithium-Dampfsperre 14, des Feuchteschutzes und/oder der weiteren Schutzschicht 18 kann durch ein geeignetes Verfahren, beispielsweise durch eine UV-Bestrahlung, eine Plasmabehandlung, ein Auftragen eines Lösungsmittels oder weitere zur Entfernung der Lithium-Dampfsperre 14, des Feuchteschutzes und/oder der Schutzschicht 18 geeignete Verfahren erfolgen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Trägerelement
    12
    Grünling
    14
    Lithium-Dampfsperre
    16
    keramischer Festkörperseparator
    18
    Schutzschicht
    20
    Auftragevorrichtung
    22
    Lithium-Dampfsperren-Applikator
    24
    Sintervorrichtung
    26
    Schutzschicht-Applikator
    28
    Ablöseeinheit
    30
    Steuergerät
    32
    Speichereinheit
    34
    Recheneinheit
    36
    maschinenlesbarer Programmcode
    100
    Vorrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 20170324073 A1 [0007]
    • US 20170214055 A1 [0008]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (16) für eine Batteriezelle, umfassend: - Herstellen eines Grünlings (12) eines keramischen Feststoffseparators (16), - Anordnen des Grünlings (12) auf einem Trägerelement (10), - Beschichten des Grünlings (12) mit einer Lithium-Dampfsperre (14) und/oder einem Feuchteschutz vor einem Sinterprozess des Grünlings (12), - Sintern des mit der Lithium-Dampfsperre (14) und/oder dem Feuchteschutz beschichteten Grünlings (12) zu einem keramischen Festkörperseparator (16).
  2. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (16) für eine Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünling (12) auf seiner dem Trägerelement (10) abgewandten Seite mit der Lithium-Dampfsperre (14) und/oder dem Feuchteschutz beschichtet wird.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (16) für eine Batteriezelle nach Anspruch 2, wobei eine Trägerfolie von dem Grünling (12) entfernt wird und der Grünling (12) zusätzlich an seiner dem Trägerelement (10) zugewandten Seite mit der Lithium-Dampfsperre (14) und/oder dem Feuchteschutz beschichtet wird.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (16) für eine Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lithium-Dampfsperre (14) und/oder der Feuchteschutz als dünne Schicht auf den Grünling (12) appliziert wird, wobei die Lithium-Dampfsperre (14) und/oder der Feuchteschutz eine Schichtdicke von 0,5 bis 15 µm aufweist.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (16) für eine Batteriezelle nach Anspruch 4, wobei die Lithium-Dampfsperre (14) und/oder der Feuchteschutz durch eine Schlitzdüsen-Beschichtung auf den Grünling (12) aufgetragen wird.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (16) für eine Batteriezelle nach Anspruch 4, wobei die Lithium-Dampfsperre (14) und/oder der Feuchteschutz auf den Grünling (12) aufgedruckt wird.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (16) für eine Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Lithium-Dampfsperre (14) und/oder der Feuchteschutz eine Polymerschicht ist oder eine Polymerschicht umfasst.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperseparators (16) für eine Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei nach dem Sintern des mit der Lithium-Dampfsperre (14) und/oder mit dem Feuchteschutz beschichteten Grünlings (12) und vor der Weiterverarbeitung des gesinterten Festkörperseparators (16) eine weitere Schutzschicht (18) auf den gesinterten keramischen Festkörperseparator (16) aufgetragen wird.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Zellstapels für eine Batteriezelle mit einem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Festkörperseparator (16), wobei die Lithium-Dampfsperre (14), der Feuchteschutz und/oder eine weitere auf den Festkörperseparator (16) aufgebrachte Schutzschicht (18) vor dem Stapelprozess des Zellstapels entfernt wird.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Zellstapels für eine Batteriezelle nach Anspruch 9, wobei die Lithium-Dampfsperre (14), der Feuchteschutz und/oder die weitere Schutzschicht (18) durch den Elektrolyten im Zellverbund aufgelöst wird.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Zellstapels für eine Batteriezelle nach Anspruch 9, wobei die Lithium-Dampfsperre (14), der Feuchteschutz und/oder die weitere Schutzschicht (18) durch eine Behandlung der Oberfläche des Festkörperseparators (16) mit UV-Strahlung entfernt wird.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Zellstapels für eine Batteriezelle nach Anspruch 9, wobei die Lithium-Dampfsperre (14), der Feuchteschutz und/oder die weitere Schutzschicht (18) durch eine Plasma-Behandlung der Oberfläche des Festkörperseparators (16) entfernt wird.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Zellstapels für eine Batteriezelle nach Anspruch 9, wobei die Lithium-Dampfsperre (14), der Feuchteschutz und/oder die weitere Schutzschicht (18) durch ein für die Lithium-Dampfsperre (14), den Feuchteschutz und/oder die weitere Schutzschicht (18) spezifisches Lösungsmittel abgelöst wird.
  14. Vorrichtung zur Herstellung eines Festkörperseparators (16) für eine Batteriezelle, wobei die Vorrichtung Mittel zur Herstellung eines Grünlings (12) eines keramischen Feststoffseparators (16), Mittel (20) zur Anordnung des Grünlings (12) auf einem Trägerelement (10), Mittel (22) zur Beschichtung des Grünlings (12) mit einer Lithium-Dampfsperre (14) und/oder einem Feuchteschutz und eine Sintervorrichtung (24) umfasst, sowie ein Steuergerät (30) zur Steuerung des Herstellungsverfahrens, welches eine Speichereinheit (32) und eine Recheneinheit (34) umfasst, wobei das Steuergerät (30) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen, wenn ein in der Speichereinheit (32) abgelegter, maschinenlesbarer Programmcode (36) durch die Recheneinheit (34) ausgeführt wird.
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