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Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine elektrochemische Speicherzelle, eine elektrochemische Speicherzelle umfassend eine solche Elektrode sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode.
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Eine elektrochemische Speicherzelle ist ein Energiespeicher auf elektrochemischer Basis, der insbesondere wieder aufladbar ist und angepasst ist, elektrische Energie zu speichern und Verbrauchern bereitzustellen, beispielsweise Verbrauchern in einem Fahrzeug.
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Entscheidende Faktoren für die Leistungsfähigkeit einer elektrochemischen Speicherzelle sind die erzielbare Energiedichte, die Lebensdauer sowie die zur Verfügung stehende Lade- und Entladerate, die insbesondere in Fahrzeuganwendungen von besonderer Bedeutung ist und möglichst hoch sein sollte. Die verfügbare Lade- und Entladerate wird jedoch durch verschiedene Effekte begrenzt, unter anderem durch zu erwartende Temperaturentwicklung während des Lade- und Entladevorgangs sowie durch Alterungseffekte.
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Eine elektrochemische Speicherzelle hat mindestens zwei verschiedene Elektroden, eine positive (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode). Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf, wahlweise zusammen mit Zusätzen wie Elektrodenbindern und elektrischen Leitfähigkeitszusätzen, welches auf einen elektrisch leitenden Träger der jeweiligen Elektroden aufgebracht wird. Als elektrisch leitender Träger kommen insbesondere massive, nicht poröse und feste Ableiterfolien aus Aluminium (für die positive Elektrode) oder Kupfer (für die negative Elektrode) zum Einsatz, die im technischen Sprachgebrauch auch unter dem Begriff „solid foils“ bekannt sind. Derartige Ableiterfolien sind undurchlässig für Gase und flüssigen Elektrolyt.
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Die Elektroden liegen für den Einsatz in der elektrochemischen Speicherzelle insbesondere in Form eines Elektrodenwickels vor (auch als „Jelly Roll“ bezeichnet), wobei zwischen jeder Kathode und Anode ein Separator zur elektrischen Isolation angeordnet ist.
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Im Herstellungsprozess der elektrochemischen Speicherzelle ist es notwendig, den Elektrodenwickel nach Einbringen in ein Gehäuse mit Elektrolyt zu durchtränken, wobei eine gewisse Einwirkzeit notwendig ist, um eine ausreichende und gleichmäßige Benetzung der inneren Porosität der Elektroden bis hin zur Grenzfläche zu gewährleisten.
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Hierbei hat sich gezeigt, dass in bekannten elektrochemischen Speicherzellen eine vollständige Benetzung oft nicht erzielt werden kann. Insbesondere im Zentrum der elektrochemischen Speicherzelle ist zu beobachten, dass dieses im ungünstigsten Fall im Wesentlichen trocken bleibt. Nicht von Elektrolyt durchtränkte Bereiche der elektrochemischen Speicherzelle können jedoch nicht an Lade- und Entladezyklen teilnehmen, sodass die Leistungsfähigkeit eingeschränkt ist.
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Um diesem Effekt entgegenzuwirken, ist es bekannt, die Einwirkzeit des Elektrolyten zu verlängern, den Elektrolyt unter Einfluss eines Unterdrucks einzubringen, die Zusammensetzung des Elektrolyts derart zu verändern, dass dieser dünnflüssiger ist, und/oder Poren innerhalb der Elektroden der elektrochemischen Speicherzelle vorzusehen. Alle diese Lösungen haben gemein, dass sie aufwendig sind, die Formulierungsfreiheit einschränken und/oder die Energiedichte des elektrochemischen Energiespeichers übermäßig absenken.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, das Benetzungsverhalten von elektrochemischen Speicherzellen zu verbessern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrode für eine elektrochemische Speicherzelle, mit einer Ableiterfolie umfassend eine Auftragszone für eine Elektrodenbeschichtung, die einen Außenbereich und einen Zentralbereich umfasst. Der Außenbereich der Auftragszone liegt näher an einer Außenkante der Ableiterfolie als der Zentralbereich der Auftragszone. Die Elektrodenbeschichtung weist im Außenbereich wenigstens einen Elektrolytleitbereich auf, in dem die Diffusionsgeschwindigkeit eines Elektrolyten der elektrochemischen Speicherzelle höher ist als in der Elektrodenbeschichtung außerhalb des Elektrolytleitbereichs.
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Die Außenkante ist diejenige Kante der Ableiterfolie, die parallel zu einer Längsrichtung der Ableiterfolie verläuft, entlang der die Ableiterfolie - und somit auch die Elektrode - aufgerollt wird, wenn die Elektrode zu einem Elektrodenwickel bzw. einer Jelly Roll verarbeitet wird.
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Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, die Benetzbarkeit der Elektrode dadurch zu erhöhen, dass gezielt Elektrolytleitbereiche in die Elektrodenbeschichtung eingebracht werden, die es gestatten, dass der Elektrolyt entlang dieser Elektrolytleitbereiche schneller diffundiert als außerhalb dieser Bereiche. Es werden sozusagen „Elektrolyt-Highways“ in der Elektrodenbeschichtung eingebracht.
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Die verbesserte Benetzbarkeit der erfindungsgemäßen Elektrode kann im Vergleich mit einer herkömmlichen Elektrodenbeschichtung gezeigt werden. Dazu werden zwei Zellen mit gleichem Elektroden-Design, d.h. gleicher Länge und mit gleicher Elektrodenbeschichtung, mit einem Elektrolyt gleicher Zusammensetzung befüllt. Der Unterschied zwischen den Zellen besteht also nur darin, dass die herkömmliche Elektrode ohne die erfindungsgemäßen Elektrolytleitbereiche hergestellt ist. Ein Unterschied der Diffusionsgeschwindigkeit des Elektrolyten kann sowohl durch eine stabile oder schwankende, d.h. noch steigende, Leerlaufspannung (OCV-Wert) gezeigt werden. Durch Zellöffnung kann bei der nicht erfindungsgemäßen Zelle durch verschieden verfärbte Bereiche auf der Elektrode oder sogar lokales Plating ein Unterschied festgestellt werden.
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Außerhalb einer aktiven Zelle können die trockenen Vergleichselektroden mit der unteren Beschichtungskante in ein Glas mit Elektrolyt oder einer vergleichbaren Flüssigkeit als Laufmittel gestellt werden, die beispielsweise mit einem Färbemittel oder Kontrastmittel versetzt sein kann. In diesem Fall wandert die Laufmittelfront des Elektrolyten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Ist die Wanderung des Laufmittels nicht visuell nachweisbar, können die Vergleichselektroden weiteren Tests unterzogen werden. Beispielsweise kann durch EDX-Analyse nachgewiesen werden wie weit ein bestimmter, dem Elektrolyt oder Laufmittel zugesetzter Feststoff nach einer vorgegebenen Zeit gewandert ist. Für EDX-Analysen werden die flüssigen Komponenten des Laufmittels abgedampft, während der zugesetzte Feststoff in der Elektrode verbleibt.
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Die Elektrolytleitbereiche sind in Bereichen der Elektrodenbeschichtung vorgesehen, die in der späteren Einbauposition der Elektrode einer Oberseite oder einer Unterseite des Elektrodenwickels zugeordnet sind, das heißt denjenigen Bereichen, die zuverlässig mit Elektrolyt versorgt werden können. Im Fall der Oberseite des Elektrodenwickels erfolgt dies dadurch, dass üblicherweise der Elektrolyt über eine Einfüllöffnung von oben in ein Speichergehäuse der elektrochemischen Speicherzelle eingefüllt wird, während die Unterseite dadurch mit Elektrolyt versorgt wird, dass der Elektrolyt zwischen dem Elektrodenwickel und einer Seitenfläche des Gehäuses unter Einfluss der Schwerkraft nach unten fließt.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Elektrode sorgt dafür, dass einerseits die Diffusionsgeschwindigkeit des Elektrolyten beeinflusst und somit eine optimale Benetzung auch des Zentralbereichs der Elektrodenbeschichtung ermöglicht wird, andererseits die Energiedichte einer elektrochemischen Speicherzelle mit einer erfindungsgemäßen Elektrode nicht übermäßig reduziert wird, da lediglich im Elektrolytleitbereich Anpassungen an der Elektrodenbeschichtung notwendig sind. Somit wird ein optimaler Kompromiss zwischen Benetzbarkeit und Energiedichte ermöglicht.
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Der Elektrolytleitbereich kann ein Teilbereich des Außenbereichs sein. Alternativ kann auch der gesamte Außenbereich den Elektrolytleitbereich bilden.
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Der Außenbereich nimmt insbesondere von 10 bis 40 % der Fläche der Auftragszone der Ableiterfolie ein, während der Rest der Auftragszone vom Zentralbereich gebildet ist.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Elektrodenbeschichtung im Elektrolytleitbereich ein Fasermaterial. Das Fasermaterial dient dazu, den Elektrolyten an oder innerhalb des Fasermaterials durch die Elektrodenbeschichtung hindurch zu transportieren. Anders ausgedrückt wird der Elektrolyt gewissermaßen am Fasermaterial durch den Elektrolytleitbereich „hindurchgezogen“.
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Das Fasermaterial kann Glasfasern und/oder Cellulosefasern umfassen oder aus diesen bestehen.
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Es ist auch möglich, ein elektrisch leitfähiges Fasermaterial einzusetzen. Auf diese Weise ist zugleich eine Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften der Elektrodenbeschichtung über das Fasermaterial möglich. Als elektrisch leitfähiges Fasermaterial können beispielsweise metallisierte Glasfasern oder elektrisch leitfähige Kohlenstoff-Fasern, beispielsweise sogenannte „vapour grown carbon fibers“ eingesetzt werden
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Elektrodenbeschichtung im Elektrolytleitbereich ein poröses Material, das saugfähig gegenüber dem Elektrolyten ist. In diesem Fall wird die Diffusionsgeschwindigkeit des Elektrolyten über die durch das poröse Material hervorgerufene Saugwirkung erhöht.
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Unter dem Begriff „saugfähig“ wird hier verstanden, dass das poröse Material in der Lage ist, Elektrolyt in Poren des porösen Materials aufzunehmen.
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Das poröse Material kann ein Kohlenstoffmaterial sein. Insbesondere ist das Kohlenstoffmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff-Aerogelen, mesoporösen Kohlenstoffen, makroporösen Kohlenstoffen, mittels Templatsynthese hergestellten Kohlenstoffen und Kombinationen davon.
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Ein Beispiel für ein geeignetes Kohlenstoffmaterial ist unter der Bezeichnung „Porocarb“ von der Fa. Heraeus erhältlich.
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Der Begriff „mesoporöse Kohlenstoffe“ bezeichnet hier Kohlenstoffmaterialien mit einer Porengröße im Bereich von 2 bis 50 nm, während „makroporöse Kohlenstoffe“ solche mit einer Porengröße von über 50 nm sind.
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Auch ist es möglich, dass das Kohlenstoffmaterial ein hierarchisches Porensystem aufweist, bei dem sich kleinere Poren mit einer Porengröße im Nanometerbereich in den Wänden von größeren Poren mit einer Porengröße im Mikrometerbereich befinden. Beispielsweise ist das Kohlenstoffmaterial mit hierarchischem Porensystem ein sogenannter „Kroll-Kohlenstoff“.
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In noch einer weiteren Ausgestaltung weist die Elektrodenbeschichtung im Elektrolytleitbereich eine oder mehrere Vertiefungen auf. Die Vertiefungen bieten definierte Leerräume an der Oberfläche der Elektrodenbeschichtung, die vom Elektrolyten aufgefüllt werden können. Anders ausgedrückt können die Vertiefungen als eine Art „Sammelbehälter“ für den Elektrolyten dienen, von dem aus der Elektrolyt in weitere Bereiche der Elektrodenbeschichtung diffundieren kann.
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Die Vertiefungen weisen insbesondere eine im Wesentlichen längliche Außenkontur auf, die von der Außenkante der Ableiterfolie in Richtung Zentralbereich gerichtet ist. Das heißt, die Vertiefungen weisen insbesondere in dieser Richtung (auch als Breitenrichtung bezeichnet) eine größere Ausdehnung auf als in einer Richtung, die parallel zur Außenkante ist (auch als Längsrichtung bezeichnet).
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Beispielweise weisen die Vertiefungen eine Ausdehnung in Breitenrichtung auf, die mindestens doppelt so groß ist wie die Ausdehnung in Längsrichtung.
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Bevorzugt weist wenigstens eine der Vertiefungen eine sich in Richtung Zentralbereich der Elektrodenbeschichtung verjüngende Außenkontur auf.
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Insbesondere kann wenigstens eine der Vertiefungen eine symmetrische Außenkontur aufweisen.
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Die eine oder mehreren Vertiefungen können sich auch kapillarartig von der Außenkante in Richtung Zentralbereich durch den Außenbereich der Elektrodenbeschichtung erstrecken.
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Um die Vertiefungen in der Elektrodenbeschichtung anzubringen, können diese mittels einer Walze mit einer strukturierten Oberfläche nach dem Auftragen der Elektrodenbeschichtung auf den Ableiter erzeugt sein.
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In noch einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Elektrodenbeschichtung im Elektrolytleitbereich einen Porenbildner, der dazu eingerichtet ist, wenigstens teilweise aus der Elektrodenbeschichtung entfernbar zu sein.
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Der Porenbildner ermöglicht es, dass durch das Entfernen des Porenbildners gezielt Poren in der Elektrodenbeschichtung erzeugbar sind, die in ihrer Form, Größe und Position beeinflusst werden können. Auf diese Weise ist eine besonders präzise Kontrolle über die Ausgestaltung der erzeugten Poren möglich, um einen optimalen Kompromiss zwischen Reduktion der mit der Elektrode erzielbaren Energiedichte und dem Aufnahmeverhalten gegenüber dem Elektrolyten zu erzielen.
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Der Porenbildner kann dazu ausgelegt sein, sich bei Erreichen einer Zersetzungstemperatur wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, in gasförmige Verbindungen zu zersetzen. Auf diese Weise kann der Porenbildner nach Erreichen der Zersetzungstemperatur aus der Elektrodenbeschichtung entfernt werden.
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Beispielsweise ist der Porenbilder Ammoniumbicarbonat (NH4HCO3), welches sich bei einer Temperatur von 60 °C oder mehr zersetzt.
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Insbesondere kann der Porenbildner im Herstellungsprozess der Elektrode und/oder einer elektrochemischen Speicherzelle, welche die Elektrode einsetzt, in die Gasphase überführt werden, beispielsweise durch Vakuumtrocknung oder Abdampfen des Porenbildners. Somit ist auch ein Überführen in die Gasphase ohne chemische Umwandlung im Sinne der Erfindung.
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Bevorzugt wird der Porenbildner bei einem Prozessschritt, der im jeweiligen Herstellungsverfahren ohnehin anfällt, zugleich in die Gasphase überführt, sodass keine zusätzlichen Arbeitsschritte zum Entfernen des Porenbildners vorgesehen werden müssen. Die Entfernung des Porenbildners kann beispielsweise im Schritt der Vakuumtrocknung der Elektrode vor dem Zusammenbau der Zelle erfolgen. Sofern dieser Schritt durchgeführt wird, liegt die Temperatur der Vakuumtrocknung bei > 60 °C.
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Falls die Elektrodenherstellung ohne Vakuumtrocknung erfolgt, kann die Entfernung des Porenbildners auch noch im Trocknungsschritt der gesamten Zelle erfolgen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine elektrochemische Speicherzelle, umfassend mindestens eine Elektrode wie zuvor beschrieben.
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Die Merkmale und Eigenschaften der erfindungsgemäßen Elektrode gelten entsprechend für die elektrochemische Speicherzelle und umgekehrt und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
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Die elektrochemische Speicherzelle ist insbesondere eine Lithiumionen-Batterie, sodass die Erfindung insbesondere eine Elektrode für eine Lithiumionen-Batterie sowie eine Lithiumionen-Batterie mit einer solchen Elektrode betrifft.
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Der Begriff „Lithiumionen-Batterie“ wird synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle, Lithiumionen-Batterie-Zelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Zelle“ synonym zu den Begriffen „Lithiumionen-Batterie“ und „Lithiumionen-Zelle“ genutzt.
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Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Elektrode in der erfindungsgemäßen elektrochemischen Speicherzelle, ist eine möglichst vollständige Benetzung eines Elektrodenwickels der elektrochemischen Speicherzelle möglich, während zugleich die Energiedichte der elektrochemischen Speicherzelle nicht unnötig stark reduziert werden muss.
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Durch die verbesserte Benetzung mit Elektrolyten wird zudem eine gleichmäßigere Wärmeentwicklung im Betrieb der elektrochemischen Speicherzelle erreicht, was sich günstig auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der elektrochemischen Speicherzelle auswirkt.
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Weiter wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine elektrochemische Speicherzelle wie zuvor beschrieben, umfassend das Auftragen und/oder Behandeln einer Elektrodenbeschichtung auf einer Auftragszone der Ableiterfolie, derart, dass die Elektrodenbeschichtung verschiedene Bereiche umfasst, die eine unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeit für einen Elektrolyten bereitstellen, wobei die verschiedenen Bereiche wenigstens einen Außenbereich und einen Zentralbereich umfassen.
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Anders ausgedrückt basiert das Verfahren auf dem Grundgedanken, die Zusammensetzung und/oder Ausgestaltung der Elektrodenbeschichtung derart zu beeinflussen, dass Bereiche mit unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten erzeugt werden.
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In einer Variante wird die Zusammensetzung der Elektrodenbeschichtung in den verschiedenen Bereichen variiert, das heißt im Außenbereich und im Zentralbereich.
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Beispielsweise wird im Außenbereich ein Fasermaterial, ein poröses Material und/oder ein Porenbildner zugesetzt bzw. eine angepasste Elektrodenbeschichtung dosiert, welche diese Komponente(n) zusätzlich beinhaltet.
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Um die Elektrodenbeschichtung zu behandeln, kann die Elektrodenbeschichtung mit einer Walze kalandriert werden, die eine strukturierte Walzenoberfläche aufweist.
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Der Begriff „strukturierte Walzenoberfläche“ bezeichnet eine Walzenoberfläche, die wenigstens eine Erhebung aufweist, mit der eine Vertiefung in der Elektrodenbeschichtung erzeugt werden kann.
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Somit kann bzw. können in einem - üblicherweise ohnehin anfallenden - Kalandrierschritt in der Elektrodenherstellung zugleich auch eine oder mehrere Vertiefungen im Außenbereich der Elektrodenbeschichtung angebracht werden.
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Weitere Eigenschaften und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen, sowie aus den Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 schematisch einen Elektrodenwickel einer elektrochemischen Speicherzelle mit einer Elektrode gemäß einer Ausführungsbeispiel,
- - 2 bis 4 verschiedene Ausführungsformen der Elektrode aus 1,
- - 5 bis 7 weitere Ausführungsformen der Elektrode aus 1 analog zu 2 bis 4,
- - 8 schematisch einen Verarbeitungsschritt einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen der elektrochemischen Speicherzelle aus 1,
- - 9 schematisch einen Elektrodenvorläufer und Elektroden, wie sie aus dem Verfahren nach 8 erhalten werden können,
- - 10 schematisch einen Verarbeitungsschritt einer zweiten Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen der elektrochemischen Speicherzelle aus 1,
- - 11 schematisch eine Walze, wie sie im Verfahren nach 10 eingesetzt wird, und
- - 12 schematisch Elektroden, wie sie aus dem Verfahren nach 10 erhalten werden können.
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1 zeigt schematisch einen Elektrodenwickel 10 einer elektrochemischen Speicherzelle 12, wobei die Darstellung in 1 den Elektrodenwickel 10 teilaufgerollt dargestellt, sodass eine Elektrode 14 teilweise zu erkennen ist.
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Der Elektrodenwickel 10 umfasst eine Elektrode 14, eine (nicht dargestellte) Gegenelektrode sowie einen zwischen der Elektrode 14 und der Gegenelektrode angeordneten (nicht dargestellten) Separator, der die Elektrode 14 und die Gegenelektrode elektrisch voneinander isoliert.
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Grundsätzlich könnte der Elektrodenwickel 10 eine Vielzahl von Elektroden 14 und Gegenelektroden umfassen, die jeweils von einem Separator elektrisch voneinander isoliert sind.
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Die Elektrode 14 umfasst eine elektrisch leitfähige Ableiterfolie 16, die beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium gebildet ist.
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Die Ableiterfolie 16 ist, abgesehen von einem Kontaktierungsbereich 18, in welchem die Ableiterfolie 16 freiliegt, von einer Elektrodenbeschichtung 20 bedeckt. Anders ausgedrückt bedeckt die Elektrodenbeschichtung 20 eine Auftragszone 22 der Ableiterfolie 16.
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Der Kontaktierungsbereich 18 sowie die Auftragszone 22 erstrecken sich entlang einer Längsrichtung x des Elektrodenwickels 10 bzw. der Elektrode 14 über dessen/deren gesamte Länge, sind jedoch entlang einer Breitenrichtung z voneinander getrennt, wobei sich der Kontaktierungsbereich 18 an die Auftragszone 22 anschließt.
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Die Auftragszone 22 ist wiederum in Außenbereiche 24 und einen Zentralbereich 26 unterteilt, wobei die Außenbereiche 24 näher an den Außenkanten 28 entlang der Breitenrichtung z der Ableiterfolie 16 liegen als der Zentralbereich 26.
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Am in 1 unten dargestellten Ende der Ableiterfolie 16 entlang der Breitenrichtung z, das einer Unterseite 30 des Elektrodenwickels 10 zugeordnet ist, grenzt der dortige Außenbereich 24 direkt an die Außenkante 28 an, während am in 1 oben dargestellten Ende der Ableiterfolie 16 entlang der Breitenrichtung z, das einer Oberseite 32 des Elektrodenwickels 10 zugeordnet ist, der dortige Außenbereich 24 durch den Kontaktierungsbereich 18 von der dortigen Außenkante 28 getrennt ist.
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In Einbauposition des Elektrodenwickels 10 in der elektrochemischen Speicherzelle 12 ist der Elektrodenwickel 10 in einem (nicht dargestellten) zylindrischen Speichergehäuse aufgenommen, das eine obere Abschlussplatte aufweist, die über eine Einfüllöffnung zum Füllen des Speichergehäuses mit einem Elektrolyten 38 (vgl. 2) verfügt.
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Bei der Montage der elektrochemischen Speicherzelle 12 ist es von besonderer Bedeutung, dass der Elektrodenwickel 10 möglichst vollständig und gleichmäßig von dem Elektrolyten 38 durchdrungen wird, da nur befeuchtete Teile des Elektrodenwickels 10 im Betrieb der elektrochemischen Speicherzelle 12 an Lade- und Entladevorgängen teilnehmen können.
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Zu diesem Zweck sind die Außenbereiche 24 als Elektrolytleitbereiche 34 ausgestaltet, in denen die Diffusionsgeschwindigkeit des Elektrolyten 38 höher ist als in den sonstigen Teilen der Elektrodenbeschichtung 20.
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Somit kann der Elektrolyt 38 im Elektrolytleitbereich 34 schneller in Richtung des Zentralbereichs 26 diffundieren, also parallel zur Breitenrichtung z, als außerhalb des Elektrolytleitbereichs 34.
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Grundsätzlich kann der Elektrolytleitbereich 34 auch lediglich einen Teil der Außenbereiche 24 entlang der Längsrichtung x umfassen.
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In den 2 bis 4 ist jeweils eine schematische Schnittansicht durch die Elektrode 14 entlang der Schnittebene A-A aus 1 dargestellt, wobei jede der 2 bis 4 eine Ausführungsform der Elektrode 14 angibt.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform umfasst die Elektrodenbeschichtung 20 im Elektrolytleitbereich 34 ein Fasermaterial 36, das sich entlang der Breitenrichtung z durch den Elektrolytleitbereich 34 hindurch erstreckt.
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Bei dem Fasermaterial 36 handelt es sich beispielsweise um Glasfasern und/oder Cellulosefasern.
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Das Fasermaterial 36 bietet an seiner Oberfläche aufgrund von Wechselwirkungen zwischen dem Fasermaterial 36 und dem Elektrolyten 38 einen bevorzugten Transportweg für den Elektrolyten 38, wie in 2 angedeutet, und sorgt auf diese Weise für eine erhöhte Diffusionsgeschwindigkeit des Elektrolyten 38.
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Anstelle des oder zusätzlich zum Fasermaterial 36 kann die Elektrodenbeschichtung 20 ein poröses Material umfassen, beispielsweise ein Kohlenstoffmaterial, das saugfähig gegenüber dem Elektrolyten 38 ist und auf diese Weise den Elektrolyten 38 beim Transport durch den Außenbereich 24 unterstützt.
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In der in 3 gezeigten Ausführungsform verfügt jeder der Elektrolytleitbereiche 34 über Vertiefungen 40, die beispielsweise über eine strukturierte Walze in die Elektrodenbeschichtung 20 über einen Kalandriervorgang eingebracht worden sind, wie später noch detaillierter beschrieben wird.
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Die Vertiefungen 40 weisen eine langgestreckte Geometrie entlang der Breitenrichtung z auf und verjüngen sich ausgehend von den Außenkanten 28 hin zum Zentralbereich 26.
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Die in 4 dargestellte Ausführungsform zeigt eine Elektrode 14, die durch den Einsatz eines Porenbildners 42 erhalten worden ist.
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Der Porenbildner 42 ist dazu ausgelegt, im Herstellungsprozess der Elektrode 14 unter Bildung von Poren 44 aus der Elektrodenbeschichtung 20 entfernt zu werden, beispielsweise indem sich der Porenbildner 42 nach Erwärmen auf eine Zersetzungstemperatur wenigstens teilweise in gasförmige Verbindungen zersetzt.
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Auf diese Weise ergibt sich eine hohe Variabilität in der Anordnung, Größe und Gestalt der Poren 44. Insbesondere ist es im Vergleich mit der Ausführungsform aus 3 möglich, auch nicht an eine Grenzfläche der Elektrodenbeschichtung 20 angrenzende Poren 44 zu erzeugen.
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Wie in 4 zu erkennen ist, kann der Porenbildner 42 auch lediglich teilweise entfernt sein, sodass noch Reste des Porenbildners 42 in der fertiggestellten Elektrodenbeschichtung 20 verbleiben. Bevorzugt ist der Porenbildner 42 jedoch in der fertiggestellten Elektrode 14 vollständig entfernt.
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Es versteht sich, dass die Ausgestaltungen gemäß 2 bis 4 auch miteinander kombiniert werden können, beispielsweise indem sowohl ein Fasermaterial 36, ein poröses Material oder ein Porenbildner mit den Vertiefungen 40 kombiniert wird.
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Die 5 bis 7 zeigen Ausführungsformen der Elektrode 14, die analog zu den Ausführungsformen nach 2 bis 4 ausgestaltet sind. Jedoch ist in diesem Fall auf beiden Seiten der Ableiterfolie 16, das heißt sowohl auf einer Vorderseite 46 als auch auf einer Rückseite 48 der Ableiterfolie 16, jeweils eine Elektrodenbeschichtung 20 aufgebracht.
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5 zeigt eine Ausgestaltung, in der die Elektrodenbeschichtungen 20 in den Außenbereichen 24 Fasermaterialien 36 umfasst, 6 eine Ausgestaltung, in der die Elektrodenbeschichtungen 20 Vertiefungen 40 aufweisen und 7 eine Ausgestaltung, in der die Elektrodenbeschichtung 20 Poren 44 aufweist, die durch Einsatz eines Porenbildners erhalten wurden.
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Grundlegend ist es auch möglich, dass die Elektrodenbeschichtungen 20 auf der Vorderseite 46 und auf der Rückseite 48 der Ableiterfolie 16 unterschiedlich ausgestaltet sind. Beispielsweise weist die Elektrodenbeschichtung 20 auf der Vorderseite 46 der Ableiterfolie 16 ein Fasermaterial 36 auf, während die Elektrodenbeschichtung 20 auf der Rückseite 48 der Ableiterfolie 16 über Vertiefungen 40 verfügt.
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8 zeigt schematisch einen Verarbeitungsschritt in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen der Elektrode 14 gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens.
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Die Ableiterfolie 16 wird mittels Transportrollen 50 entlang einer Bearbeitungsrichtung R transportiert, wobei die Rückseite 48 der Ableiterfolie 16 in Kontakt mit den Transportrollen 50 steht. Auf die Vorderseite 46 wird im Zentralbereich 26 der Auftragszone 22 mittels einer Dosiereinrichtung 52 die Elektrodenbeschichtung 20 durch Auftragen einer Elektrodenmischung 53 aufgebracht.
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Die Elektrodenmischung 53 kann sich von der Elektrodenbeschichtung 20 insoweit unterscheiden, als das beispielsweise zusätzliches Lösungsmittel in der Elektrodenmischung 53 enthalten ist, um die Dosierbarkeit zu verbessern.
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Die Dosiereinrichtung 52 ist mit einer Zufuhrvorrichtung 54 fluidisch verbunden, welche die Dosiereinrichtung 52 mit der Elektrodenmischung 53 versorgt.
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Entlang der Bearbeitungsrichtung R hinter der Dosiereinrichtung 52 sind mehrere Additiv-Dosiereinrichtungen 56, 58 und 60 angeordnet, die jeweils mit einer Additiv-Zufuhrvorrichtung 62 fluidisch verbunden sind.
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Über die Additiv-Dosiereinrichtungen 56 bis 60 wird jeweils ein Außenbereich 24 der Ableiterfolie 16 mit der Elektrodenbeschichtung 20 bedeckt, wobei sich die Elektrodenbeschichtung 20 im Außenbereich 24 von derjenigen im Zentralbereich 26 unterscheidet. Entsprechend können die Additiv-Dosiereinrichtungen 56 bis 60 eine oder mehrere Elektrodenmischungen 61 dosieren, die sich von derjenigen unterschiedet, die von der Dosiereinrichtung 52 aufgebracht wird. Beispielsweise weist die Elektrodenbeschichtung 20 im Außenbereich 24 das Fasermaterial 36 auf wie zuvor beschrieben.
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9 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Elektrodenvorläufer 65 wie er mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens erhalten werden kann. Wie zu erkennen ist, weist der Elektrodenvorläufer 65 zwei Zentralbereiche 26 und insgesamt drei Außenbereiche 24 auf, wobei die Außenbereiche 24 jeweils mittels einer der Additiv-Dosiereinrichtungen 56, 58 bzw. 60 auf die Ableiterfolie 16 aufgebracht worden sind.
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Der Elektrodenvorläufer 65 wird in einem nachfolgenden Prozessschritt entlang der Linie S zerteilt, beispielsweise zerschnitten, um zwei Elektroden 14 zu erhalten.
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10 zeigt schematisch einen Verarbeitungsschritt in einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In dieser Ausführungsform ist die Ableiterfolie 16 in einem vorgelagerten Prozessschritt sowohl auf ihrer Vorderseite 46 als auch auf ihrer Rückseite 48 mit einer Elektrodenbeschichtung 20 versehen worden.
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Anschließend wird die beschichtete Ableiterfolie 16 entlang einer Bearbeitungsrichtung R durch ein Walzenpaar mit zwei Walzen 64 geführt, um die Elektrodenbeschichtung 20 zu kalandrieren und zugleich mit Vertiefungen 40 zu versehen.
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Zu diesem Zweck weisen beide Walzen 64 eine strukturierte Walzenoberfläche 66 auf, wie in 11 dargestellt ist. Die strukturierte Walzenoberfläche 66 weist eine Vielzahl von Erhebungen 68 auf, die in konzentrischen Ringen an der Walze 64 verlaufen.
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Die konzentrischen Ringe sind derart angeordnet, dass sie beim Kalandrieren mit der Elektrodenbeschichtung 20 in den Außenbereichen 24 der Auftragszone der Ableiterfolie 16 zusammenwirken, sodass in den Außenbereichen 24 die Vertiefungen 40 erzeugt werden.
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12 stellt schematisch einen Elektrodenvorläufer 65 dar, wie er gemäß der zweiten Ausführungsform des Verfahrens erhalten werden kann.
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Durch Zerteilen des Elektrodenvorläufers 65 entlang der Linie S aus 12 können wiederum zwei Elektroden 14 erhalten werden.
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Wie zu erkennen ist, sind die Erhebungen 68 der Walzen 64 derart geformt, dass sich die Vertiefungen 40 in Richtung des Zentralbereichs 26 verjüngen und bezüglich einer Achse, die senkrecht zu den Außenkanten 28 verlaufen, symmetrisch sind.
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Insgesamt zeichnet sich die Elektrode 14 dadurch aus, dass durch gezielte Beeinflussung der Elektrodenbeschichtung 20 ein optimaler Kompromiss aus Benetzbarkeit mit dem Elektrolyten 38 und der erzielbaren Energiedichte bereitgestellt werden kann.
