DE102022201736A1

DE102022201736A1 - Batteriezelle sowie Verfahren zur Fertigung einer solchen Batteriezelle

Info

Publication number: DE102022201736A1
Application number: DE102022201736.6A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-02-18
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2023-08-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem Zellgehäuse (5), in dem ein Elektroden-/Separator-Stapel (3) angeordnet ist. Der Elektroden-/Separator-Stapel (3) weist zumindest einen Lagenverbund-Zuschnitt (1) auf, in dem eine Separatorlage (7) in einem Beschichtungsprozess beidseitig direkt mit jeweils einer Anodenaktivmateriallage (A) und mit einer Kathodenaktivmateriallage (K) beschichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Fertigung einer solchen Batteriezelle nach Anspruch 4.
Al- und Cu-Folien werden als Stromableiter für Kathoden- bzw. Anodenaktivmaterialien in Lithium-lonen-Zellen verwendet. In einer Lithium-Ionen-Zelle, die mit flüssigen Elektrolyten arbeitet, ist die dünne Beschichtung der Elektrodenaktivmaterialien mit den flüssigen Elektrolyten durchtränkt. Die Wechselwirkung zwischen den Elektrolytkomponenten und den Stromableitern wirkt sich stark auf die Leistungsstabilität der Zelle aus, insbesondere auf der Kathodenseite, wo das Aluminium ständig auf hohem Potenzial gehalten wird.
Es hat sich gezeigt, dass das Aluminium-Substrat in Lithium-lonen-Zellen bei voller Ladung unter starker Lochfraßkorrosion leidet, was zu einer verkürzten Lebensdauer und nachlassender Kapazität führt. Da in Anbetracht der Energiedichte sehr dünne Aluminiumfolien verwendet werden (bis zu 10 µm), kann die Lochfraßkorrosion zu einem vollständigen Zerfall und einer Fragmentierung führen. Aluminium ist zudem thermodynamisch instabil und hat ein Oxidationspotenzial von 1,39 V. Seine Stabilität in verschiedenen Anwendungen beruht auf der Bildung einer Passivierungsschicht, die aus Al₂O₃ besteht. Diese Schutzschicht mit einer Dicke von etwa 50 nm stabilisiert nicht nur Aluminium in verschiedenen nichtwässrigen Elektrolyten bei hohen Potenzialen, sondern macht die Aluminiumoberfläche auch beschichtungsfreundlich, indem sie eine ausgezeichnete Haftung der Elektrodenmaterialien ermöglicht. Da jedoch eine mechanische Beschädigung der Passivierungsschicht (zum Beispiel versehentlicher Abrieb) während der Elektrodenverarbeitung und des Zellaufbaus oft unvermeidlich ist, hängt die Insitu-Neubildung einer Oberflächenschutzschicht in Lithium-lonen-Zellen stark vom Elektrolyt ab.
Kupfer, das im Stand der Technik als Anoden-Stromableiter verwendet wird, hat die folgenden Nachteile: Kupferfolie ist teuer und hat ein viel höheres Gewicht als Aluminiumfolie. Da es eine bessere Stabilität gegen Reduktion aufweist, wird es als Anoden-Stromableiter verwendet. Normalerweise wird Kupfer in einer Stärke von etwa 10 µm verwendet. Die Beschichtung auf einer solchen Kupferfolie ist sehr schwierig, da sie Falten wirft und/oder Risse und Oberflächenfehler aufweisen kann. Wenn die Zelle mit einer niedrigeren Spannung als der zulässigen unteren Entladespannung entladen wird, ist das Kupfer nicht mehr stabil gegen Reduktion. Es werden Elektronen absorbieren und negative Ionen gebildet. Diese negativen Ionen reagieren mit den Kationen des Elektrolytsalzes. Infolgedessen wird das Kupfer jedes Mal reduziert und bildet schließlich einen Riss. Es ist auch möglich, dass Elektrolyt aus Kupferrissen austritt. Während des Aufladens verbinden sich die Kupferionen wieder mit der Kupferfolie, jedoch unter Bildung von Dendriten. Diese Kupferdendriten können den Separator durchdringen und einen Kurzschluss verursachen. Ferner lassen sich Stromableiter aus Kupfer nur schwer laserschweißen, da sie sehr leitfähig sind und außerdem viel Laserstrahlen reflektieren. Außerdem ist Kupfer ein guter Stromleiter. Die Elektronen müssen vom Stromabnehmer ins Innere des aktiven Materials gelangen und sich dort mit den Lithiumionen verbinden. Das auf der Kupferfolie applizierte Anodenaktivmaterial wird durch die Verwendung von leitfähigem Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) leitfähig gemacht. Die Leitfähigkeit des aktiven Materials ist im Vergleich zum Kupferstromableiter viel geringer. Daher wird die sehr gute Leitfähigkeit von Kupfer nicht als Vorteil genutzt, da die geringere Leitfähigkeit des aktiven Materials für die endgültige Elektronenleitfähigkeit entscheidend ist. Außerdem neigt Kupfer mit der Zeit zur Oxidbildung. Feuchtigkeit beschleunigt die Oxidbildung. Kupferoxid hat eine viel geringere Leitfähigkeit als Kupfer. Daher wird die Leitfähigkeit der Zelle mit der Zeit abnehmen.
Kupfer und Aluminium erzeugen beim Schneiden, Ausklinken und Trimmen Grate. Diese metallischen Partikel können den Separator durchdringen und einen Kurzschluss verursachen. Aluminium- und Kupferfolien werden zwar in einer sehr geringen Dicke von 10-15 µm verwendet, haben aber immer ein beträchtliches Gewicht und auch erhebliche Kosten in der Zelle. Ferner erschwert Oxid, das sich auf Aluminium und Kupfer bildet, das Schweißen von Stromableitern, verringert deren Leitfähigkeit und verursacht außerdem Haftungsprobleme mit dem aktiven Material. Dies bedeutet, dass mehr Bindemittelkomponente verwendet werden muss, um die Haftung zu erhöhen.
Vor diesem Hintergrund ist es im Hinblick auf eine Reduzierung des Bauteilgewichts und im Hinblick auf einen prozesstechnisch einfachen Aufbau der Batteriezelle von Vorteil, wenn auf einen metallischen Kathoden-Stromableiter sowie auf einen metallischen Anoden-Stromableiter verzichtet werden könnte.
Aus der DE 10 2011 114 613 A1 ist eine Anordnung für eine elektrochemische Zelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrochemischen Zelle bekannt. Aus der EP 3 654 415 A1 ist eine Elektrode zur Verwendung in einer Batteriezelle bekannt. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batteriezelle bereitzustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik ein reduziertes Bauteilgewicht aufweist und/oder prozesstechnisch einfacher herstellbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder des Anspruches 4 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer Batteriezelle mit einem Zellgehäuse aus, in dem ein Elektroden-/Separator-Stapel angeordnet ist. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist der Elektroden-/Separator-Stapel zumindest einen Lagenverbund-Zuschnitt auf. Im Lagenverbund-Zuschnitt ist eine Separator-Lage in einem Beschichtungsprozess beidseitig direkt mit jeweils einem Anodenaktivmaterial und mit einem Kathodenaktivmaterial beschichtet. Der Elektroden-/Separator-Stapel ist bevorzugt aus einer Mehrzahl übereinander gestapelter Lagenverbund-Zuschnitte ausgebildet. In diesem Fall liegen die Anodenaktivmateriallagen benachbarter Lagenverbund-Zuschnitte in Kontakt übereinander. In gleicher Weise liegen die Kathodenaktivmateriallagen benachbarter Lagenverbund-Zuschnitte ebenfalls in Kontakt übereinander.
Erfindungsgemäß kann also auf eine Kupferfolie als Anoden-Stromableiter sowie auf eine Aluminiumfolie als Kathoden-Stromableiter verzichtet werden. Der Separator besteht aus ein- oder dreilagiger poröser Polypropylen- oder Polyethylenfolie. Für eine hohe Durchstoßfestigkeit ist eine Aluminiumoxidbeschichtung nicht erforderlich. Die Beschichtung mit Aluminiumoxid ist optional. Dieser Separator ist porös und isolierend für Elektronen. Der Separator wird durch ein Nassverfahren porös gemacht, sofern er einlagig ist. Die Porosität des isolierenden und leitfähigen Separators beträgt etwa 40 nm. Dadurch können einerseits Ionen hindurchtreten, andererseits kann das aktive Material nicht in die Porosität eindringen und die Poren schließen.
Der Separator wird nach dem Stapelungsprozess von einem flüssigen Elektrolyten benetzt. Dies wird in der Patentschrift erwähnt. Wenn man einen Festelektrolyten wie Keramik- oder Gelelektrolyt verwendet, kann der Separator vor der Beschichtung mit dem Festelektrolyten beschichtet werden. Das bedeutet, dass die Monozelle auch für Festelektrolyte im Separator verwendet werden kann.
Ein Vorteil dieser Monozelle ist auch, dass der Elektrolytverbrauch sehr gering ist. Aktives Material und Separator sollten mit Elektrolyt benetzt werden. Der Raum zwischen zwei Monozellen benötigt keinen Elektrolyten, da die Anode der Anode und die Kathode der Kathode gegenüberliegt. Es findet kein lonentransfer zwischen zwei Monozellen statt, daher wird kein Elektrolyt benötigt.
Abschließend kann man sagen, dass für die Beschichtung der aktiven Partikel kein Metallsubstrat verwendet wird. Das Substrat für das aktive Material ist ein leitfähiges Polymer, das die obere und untere Schicht des isolierenden Separators bildet.
Sofern der Separator dreilagig ist, wird er im Trockenverfahren hergestellt, und zwar aus seiner Separator-Zwischenschicht und aus Stromableiterschichten. Bei der Herstellung des Separators können Polymerspulen aus PP, PE, Silikon oder Acryl werden verwendet werden. Dieses Polymer wird durch Zugabe von leitfähigem Kohlenstofffüllstoff leitfähig gemacht. Dieses Polymer kann bis zu 120°C aushalten, ohne weich zu werden. Sowohl dieses leitfähige Polymer als auch das leitfähige Polymer werden einer Plasmakorona unterzogen, so dass die Oberfläche gereinigt und für den späteren Beschichtungsprozess aktiviert wird. Das leitfähige Polymer ist etwa 30 mm breiter als die nicht leitfähige Separator-Zwischenschicht. Alle drei Schichten werden erwärmt und laminiert, so dass die obere und untere Schicht auf der gegenüberliegenden Seite zusätzliches Material aufweist. Obwohl die drei Schichten inhomogen sind, haften sie sehr fest aneinander. Die obere und die untere Schicht sind beide elektronisch leitfähig und aufgrund ihrer Porosität auch ionisch leitfähig. Die leitende Schicht hat eine Mikrostruktur, so dass das aktive Material fest an ihr haften kann.
Auf der Oberseite des obersten leitfähigen Polymers wird das aktive Kathodenmaterial durch eine Trockenbeschichtungsmethode wie die Kaltstrahlabscheidung von De Laval beschichtet. Dadurch werden die Partikel mit hoher Geschwindigkeit auf den Separator gedrückt, wodurch sie automatisch eine hohe Dichte erhalten. Es ist auch möglich, andere Trocknungsverfahren wie die Beschichtung durch Walzen zu verwenden. Es ist auch möglich, eine Nassbeschichtung mit anschließender Trocknung durchzuführen. Wichtig ist, dass die Trocknungstemperatur (maximal 100°C bis 110°C) deutlich unter der Erweichungstemperatur des Abscheiders liegt. Nach der Beschichtung wird das kathodenaktive Material durch Kalandrieren verdichtet. Zuerst wird das Kathodenmaterial beschichtet und kalandriert, da man beim Kalandrieren eine höhere Druckkraft für die Kathode benötigt als für die Anode. Die Beschichtungsfläche ist kleiner als die Separatorfläche.
Auf der Unterseite der unteren leitfähigen Polymerspule wird das aktive Anodenmaterial auf ähnliche Weise beschichtet. Die Beschichtung erfolgt entweder durch Trockenbeschichtung oder Nassbeschichtung (ähnlich wie bei der Kathode). Die Anodenbeschichtung wird dann auf die endgültige Dichte kalandriert. Die Enddichte wird durch Kalandrieren erreicht. Da die Druckkraft der Anode geringer ist als die der Kathode, hat das zweite Kalandrieren keinen Einfluss auf die Dichte der Kathode. Beide leitfähigen Polymerlagen (mit aktivem Material) werden durch mechanisches Einkerben und Beschneiden in die endgültige Form gebracht. Das leitfähige Polymer hat einen Stromableiterbereich. Das bedeutet, dass der Stromableiter aus demselben Material wie das obere und untere leitfähige Polymer auf dem Separator besteht. Aus diesem Grund kann das obere und untere leitfähige Polymer sehr breit bemessen sein. Die obere leitende Schicht darf nicht mit der unteren leitenden Schicht in Kontakt kommen.
Die Stromabnehmer der Anode sind durch Kleben miteinander verbunden. Auf die gleiche Weise werden die Stromabnehmer der Kathode durch Kleben miteinander verbunden. Vor dem Verkleben wird der Stromabnehmer mit Ultraschall gereinigt, um Fett und Schmutz zu entfernen.
Der Stromabnehmer ist mit einer Lasche (Nickel-Zinn-Legierung) verschweißt. Diese Lasche wird durch Ultraschallschweißen an den mit Klebstoff verbundenen Stromabnehmer geschweißt. Die Stapelung erfolgt so, dass die kombinierte laminierte Folie wie eine Monozelle aussieht. Die Stapelung erfolgt so, dass die Anode zur Anode zeigt. In ähnlicher Weise wird die Kathode der Kathode zugewandt. Auf diese Weise werden Zellstapel erzeugt. Die Zellenstapel werden in einer Aluminiumtasche oder in einem prismatischen Hartschalendeckel untergebracht. Anschließend wird die Zelle mit Elektrolyt gefüllt. Die erfindungsgemäße Zelle ist ohne metallischem Substrat (Kupfer und Aluminium) fertig. Der Prozess der Elektrolytbenetzung erfordert mehr Energie (mechanisch oder thermisch) als die herkömmliche Methode. Sie wird durch ein Vakuum während der Elektrolyteinspritzung oder durch das Pressen mit einer Walze bereitgestellt, um mechanische Energie zu erzeugen, oder indem die Zelle einen Tag lang bei etwa 60°C gehalten wird, damit der Benetzungsprozess durch thermische Energie beschleunigt werden kann.
Der Separator kann nach dem Stapelungsprozess von einem flüssigen Elektrolyt benetzt werden. Bei Verwendung eines Festelektrolyten, wie Keramik- oder Gelelektrolyt, kann der Separator vor der Beschichtung mit dem Festelektrolyten beschichtet werden. Das bedeutet, dass die Monozelle auch für Festelektrolyte im Separator verwendet werden kann.
Ein Vorteil der mit dem erfindungsgemäßen Lagenverbund-Zuschnitt herstellbaren Monozelle ist auch, dass der Elektrolytverbrauch sehr gering ist. Aktives Material und Separator sollten mit Elektrolyt benetzt werden. Der Raum zwischen zwei Monozellen benötigt keinen Elektrolyt, da die Anoden benachbarter Lagenverbund-Zuschnitte sowie die Kathoden benachbarter Lagenverbund-Zuschnitte miteinander in Kontakt sind. Es findet kein lonentransfer zwischen zwei Monozellen statt, daher wird kein Elektrolyt benötigt.
Ein Hauptvorteil besteht darin, dass keine Kupfer- und Aluminiumfolien erforderlich sind. Die Beschichtung erfolgt direkt im Separator. Das Stapeln ist einfacher, da nur eine Monozelle zu handhaben ist. Erfindungsgemäß wird das aktive Anoden- und Kathodenmaterial anstelle auf einer Kupfer- und Aluminiumfolie direkt auf einen leitfähigen Polymerseparator von etwa 10 µm aufgebracht. Die Polymerfolie wird durch Zugabe von leitfähigem Kohlenstoff während der Herstellung leitfähig gemacht. Zudem kann der Polymer-Separator bevorzugt aus mindestens drei oder mehr Schichten bestehen. Die mittlere Schicht kann ein Isolator sein und Aluminiumoxid als Füllstoff für hohe Durchstoßfestigkeit und Steifigkeit enthalten. Alle drei Schichten werden erwärmt und anschließend zusammenlaminiert, so dass sie gut aneinander haften. Alle drei porösen Schichten können unterschiedlich hergestellt werden, hauptsächlich im Nassverfahren. Das Polymer kann aus Polypropylen, Polyethylen, Silikon, PvdF, Acryl oder Teflon bestehen. Es können alle Polymere verwendet werden, die eine hohe Oxidationsbeständigkeit bis 5 V bieten und etwa 120 °C ohne thermische Beeinträchtigung standhalten. Auf der Oberfläche des Polymersubstrats werden Mikrostrukturen geschaffen, die eine bessere Haftung des aktiven Materials ermöglichen. Das aktive Material wird entweder durch Trockenbeschichtung oder durch Nassbeschichtung auf den Separator aufgebracht. Wichtig ist, dass die Trocknungstemperatur zur Entfernung des Lösungsmittels unter der Erweichungstemperatur des Polymers liegen sollte. Die trockene Beschichtungstechnik ist vorzuziehen. Vor der Beschichtung werden Ober- und Unterseite durch eine Plasmabehandlung aktiviert. Die Stromableiter auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten. Der Stromableiter besteht aus demselben leitfähigen Polymermaterial. Dieser Bereich wird von der oberen und unteren Schicht abgeschnitten. Sie werden durch Kleben mit leitfähigen Klebstoffen verbunden. Der verwendete Klebstoff ist leitfähiges Acryl, Silikon oder Epoxid. Die Klebeverbindung wird nach der Reinigung des Polymers mit Ultraschall aufgetragen. Der Stromableiterbereich wird dann später per Ultraschall verschweißt oder mit einer Metalllasche oder einer Lasche aus leitfähigem Polymer verklebt. Die leitfähige Polymer- oder Metalllasche wird später mit anderen Laschen verbunden, um das Zellmodul herzustellen. Die Zellen sind so gestapelt, dass der Anodenbereich zur Anode zeigt. Der gleiche Kathodenbereich zeigt zur Kathode. Der Separator mit aktiver Materialbeschichtung ist wie eine Monozelle und wird nach dem Steckverfahren gestapelt. Für eine bessere Benetzung des Elektrolyten ist die Separatorfläche größer als die Beschichtungsfläche. So kann der Elektrolyt von den Seiten in den Separator eindringen und ihn benetzen.
Ein wesentlicher Kern der Erfindung besteht darin, dass für die Beschichtung des Elektrodenaktivmaterials kein Metallsubstrat verwendet wird. Anstelle dessen ist das Substrat für das Elektrodenaktivmaterials ein leitfähiges Polymer, das die obere und untere Schicht des isolierenden Separators bildet.
Nachfolgend sind wesentliche Aspekte der Erfindung nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So kann die Separatorlage bevorzugt dreischichtig aufgebaut sein, und zwar mit einer elektrisch isolierenden, insbesondere porösen Separator-Zwischenschicht. An der Separator-Zwischenschicht sind beidseitig jeweils elektrisch leitfähige Stromableiterschichten (zum Beispiel aus Polymer) angeordnet, auf denen jeweils das Elektrodenaktivmaterial aufgetragen ist. Die elektrisch leitfähigen Stromableiterschichten wirken jeweils als Kathoden-Stromableiter und als Anoden-Stromableiter für die Anodenmateriallage und für die Kathodenmateriallage.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann die kathodenseitige Stromableiterschicht des Lagenverbund-Zuschnittes jeweils eine Kathoden-Ableiterfahne aufweisen. In gleicher Weise ist die anodenseitige Stromableiterschicht mit einer Anoden-Ableiterfahne versehen. Die Ableiterfahnen überragen seitliche mit Überstand die elektrisch isolierende Separator-Zwischenschicht sowie die jeweilige Elektrodenaktivmateriallage.
Ein Verfahren zur Fertigung des erfindungsgemäßen Lagenverbund-Zuschnittes weist die folgenden Prozessschritte auf: So wird in einem Beschichtungsschritt eine Separator-Endlosbahn in einem Naß- oder Trockenbeschichtungsprozess beidseitig jeweils mit einem Kathodenaktivmaterial und mit einem Anodenaktivmaterial beschichtet. Anschließend folgt ein Schneidschritt, bei dem die beschichtete Separator-Endlosbahn zum Lagenverbund-Zuschnitt abgelenkt und zugeschnitten wird. Im weiteren Prozessverlauf wird ein Stapelschritt durchgeführt, bei dem die Lagenverbund-Zuschnitte zum Elektroden-/Separator-Stapel übereinander gestapelt werden. Dieser wird im weiteren Prozessverlauf im Zellgehäuse verbaut.
Bevorzugt kann die Separator-Endlosbahn in einem Laminationsprozess aus einer Zwischenschicht-Endlosbahn sowie aus zwei Stromableiter-Endlosbahnen hergestellt werden.
Auf den Stromableiter-Endlosbahnen werden im Beschichtungsschritt jeweils das Anodenaktivmaterial und das Kathodenaktivmaterial aufgetragen.
Die Querschnitts-Geometrie der dreischichtig aufgebauten Separator-Endlosbahn ist bevorzugt wie folgt: So kann die kathodenseitige Stromableiter-Endlosbahn die Zwischenschicht-Endlosbahn sowie die Kathodenaktivmateriallage in einer Endlosbahnquerrichtung mit einem Ableiter-Überstand seitlich überragen. Aus dem Ableiter-Überstand werden im weiteren Prozessverlauf Kathodenableiterfahnen ausgebildet. In gleicher Weise kann die anodenseitige Stromableiter-Endlosbahn die Zwischenschicht-Endlosbahn sowie die Anodenmateriallage auf der gegenüberliegenden Endlosbahnseite ebenfalls mit einem Ableiter-Überstand überragen. Daraus werden im weiteren Prozessverlauf die Anodenableiterfahnen gebildet.
Zur Steigerung einer Haftverbindung mit dem Elektrodenaktivmaterial kann vor dem Beschichtungsschritt ein Prägeschritt erfolgen, bei dem der Separatorlage beidseitig eine Oberflächen-Mikrostruktur aufgeprägt wird. Bevorzugt ist es, wenn die kathodenseitige Stromableiterschicht und die anodenseitige Stromableiterschicht materialidentisch ausgebildet sind.
Nach Bereitstellung des Elektroden-/Separator-Stapels folgt ein Fügeschritt, bei dem die Kathoden-Ableiterfahnen zusammengefügt werden und mit dem Kathoden-Zellableiter verbunden werden. In gleicher Weise werden die Anoden-Ableiterfahnen des Elektroden-/Separator-Stapels zusammengefügt und mit dem Anoden-Zellableiter verbunden.
Im Hinblick auf einen einwandfreien Fügeschritt ist es bevorzugt, wenn die Ableiterfahnen der Lagenverbund-Zuschnitte vor dem Fügeschritt gereinigt werden, etwa durch Ultraschallreinigung. Zudem ist es bevorzugt, wenn die Oberflächen der Separator-Endlosbahn, insbesondere durch Plasmabehandlung, aktiviert wird, um eine einwandfreie Haftverbindung zwischen dem Elektrodenaktivmaterial und der Separator-Endlosbahn zu gewährleisten.
Nachfolgend wird Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 ein erfindungsgemäßer Lagenverbund-Zuschnitt in Alleinstellung;
2 ein Elektroden-/Separator-Stapel in Alleinstellung;
3 eine Seitenschnittansicht einer Batteriezelle im Zusammenbauzustand;
4 bis 13 jeweils Ansichten, anhand derer ein Verfahren zur Fertigung einer Batteriezelle beschrieben ist;
14 und 15 jeweils Ansichten, anhand derer alternative Beschichtungsschritte veranschaulicht sind;
16 und 17 jeweils Ansichten, anhand derer weitere Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben sind.

In der 1 ist in perspektivischer Darstellung ein Lagenverbund-Zuschnitt 1 gezeigt, der Bestandteil eines Elektroden-/Separator-Stapels 3 (2) ist. Der Elektroden-/Separator-Stapel 3 ist in einem Batteriezellen-Zusammenbauzustand in einem Zellgehäuse 5 (3) verbaut.
Der Lagenverbund-Zuschnitt 1 ist gemäß der 1 aus einer dreischichtigen Separatorlage 7 aufgebaut, die eine elektrisch isolierende, poröse Separator-Zwischenschicht 9 aus Polymer aufweist, an der beidseitig jeweils elektrisch leitfähige Stromableiterschichten 11 aus Polymer angeordnet sind. Außenseitig auf den beiden Stromableiterschichten 11 ist jeweils eine Anodenaktivmateriallage A und eine Kathodenaktivmateriallage K beschichtet. Die Stromableiterschichten 11 bilden jeweils einen Kathoden-Stromableiter und einen Anoden-Stromableiter für die Elektrodenmateriallagen K, A.
Wie aus der 1 weiter hervorgeht, ist die kathodenseitige Stromableiterschicht 11 mit einer Kathoden-Ableiterfahne 15 ausgebildet, die seitlich mit Überstand a die Kathodenaktivmateriallage 13 und die elektrisch isolierende Separator-Zwischenschicht 9 überragt. In gleicher Weise ist die anodenseitige Stromableiterschicht 11 mit einer Anoden-Ableiterfahne 16 ausgebildet, die seitlich mit Überstand a die Anodenaktivmateriallage A und die elektrisch isolierende Separator-Zwischenschicht 9 überragt.
In der 2 ist der Elektroden-/Separator-Stapel 3 aus insgesamt drei übereinander gestapelten Lagenverbund-Zuschnitten 1 aufgebaut. Die drei Lagenverbund-Zuschnitte 1 sind in der 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit voneinander beabstandet gezeigt. Tatsächlich sind die Lagenverbund-Zuschnitte 1 in Stapelrichtung miteinander in Kontakt. Demzufolge sind in der 2 oder 3 Anodenaktivmateriallagen A benachbarter Lagenverbund-Zuschnitte 1 in Kontakt übereinander positioniert. In gleicher Weise liegen auch die Kathodenaktivmateriallagen K benachbarter Lagenverbund-Zuschnitte 1 in Kontakt übereinander.
In der 3 ist grob schematisch ein Zusammenbauzustand gezeigt, in dem der Elektroden-/Separator-Stapel 3 im Zellgehäuse 5 angeordnet ist. Im Zellgehäuse 5 sind die Kathoden-Ableiterfahnen 15 des Elektroden-/Separator-Stapels 3 zusammengefügt und mit einem Kathoden-Zellableiter 17 verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite des Elektroden-/Separator-Stapels 3 sind dessen Anoden-Ableiterfahnen 16 zusammengefügt und mit einem Anoden-Zellableiter 18 verbunden.
Nachfolgend wird anhand der 4 bis 13 ein Verfahren zur Fertigung der Batteriezelle beschrieben: Zunächst wird eine Separator-Endlosbahn 19 in einem Laminationsprozess ( 4) hergestellt, in dem eine Zwischenschicht-Endlosbahn 20 sowie zwei Stromableiter-Endlosbahnen 21 zusammengeführt werden. Die Endlosbahnen 20, 21 sind in einem Extrusionsvorgang hergestellt und in der 4 auf jeweils Coils aufgewickelt. In der 4 wird zunächst die obere Stromableiter-Endlosbahn 21 mit einem Heizeinrichtung erwärmt und anschließend auf die Oberseite der Zwischenschicht-Endlosbahn 20 laminiert. Im weiteren Prozessverlauf wird die untere Stromableiter-Endlosbahn 21 ebenfalls mit Hilfe einer Heizeinrichtung erwärmt und auf die Unterseite der Zwischenschicht-Endlosbahn 20 laminiert. Die so gebildete mehrlagige Separator-Endlosbahn 19 wird auf ein Coil aufgewickelt. Der Laminationsprozess kann bevorzugt mit Hilfe nicht gezeigter Trägerfolien erfolgen, zwischen denen die Endlosbahnen 20, 21, 19 angeordnet sind, um eine Beschädigung während der Lamination zu vermeiden.
Die bei der Lamination (4) erzeugte Separator-Endlosbahn 19 wird gemäß der 5 bis 7 unter Zwischenlage von Trägerfolien 26 durch den Klemmspalt eines Walzenpaars 25 geführt. Die beiden Walzen sind beispielhaft jeweils aus Titan hergestellt und mit Teflon beschichtet. Die Teflonbeschichtung der beiden Walzen weist eine Mikrostruktur 27 in Form von elliptischen Vertiefungen auf, deren Tiefe bei etwa 5 µm liegt und deren Länge bei etwa 1 mm liegt. Das Walzenpaar 25 übt eine vordefinierte Kompressionskraft auf die Separator-Endlosbahn 19 aus, wodurch dieser eine Oberflächen-Mikrostruktur aufgeprägt wird, um eine Verbindungsfestigkeit zwischen der Separator-Endlosbahn 19 und dem darauf aufzubringenden Elektrodenaktivmaterial K, A zu steigern. Anschließend werden gemäß der 8 die beiden Oberflächen der Separator-Endlosbahn 19 in einer Behandlungsstation 29 durch Plasmabehandlung aktiviert, bei der Plasmaionen aus trockener Luft, Helium oder Stickstoff auf die Separator-Endlosbahn 19 appliziert werden. Auf diese Weise wird die Oberfläche der Separator-Endlosbahn 19 gereinigt und aktiviert, um nachfolgend einen einwandfreien Beschichtungsschritt zu ermöglichen.
Im weiteren Prozessverlauf erfolgt ein Beschichtungsschritt (9), bei dem die Separator-Endlosbahn 19 in einem Trockenbeschichtungsverfahren mit dem Elektrodenaktivmaterial A, K beschichtet wird. Demnach wird die Separator-Endlosbahn 19 durch den Walzenspalt eines Walzenpaars geführt. Am Walzenspalt-Eingang wird beidseitig über Dosiereinrichtungen 31 pulverförmiges Anodenaktivmaterial A sowie pulverförmiges Kathodenaktivmaterial K zugeführt, die im Walzenspalt unter Druck gegen die Separator-Endlosbahn 19 gedrückt werden. Im weiteren Prozessverlauf wird die mit dem Elektrodenaktivmaterial A, K beschichtete Separator-Endlosbahn 19 durch den Walzenspalt eines zweiten Walzenpaars 35 geführt, in dem das beschichtete Elektrodenaktivmaterial A, K nochmals komprimiert wird.
In der 10 ist ein Zustand der Separator-Endlosbahn 19 nach erfolgtem Beschichtungsschritt gezeigt. Demnach überragt die kathodenseitige Stromableiter-Endlosbahn 21 die Zwischenschicht-Endlosbahn 20 sowie die Kathodenaktivmateriallage K in der Endlosbahnquerrichtung seitlich mit einem Ableiter-Überstand a, aus dem im weiteren Prozessverlauf Kathoden-Ableiterfahnen 15 gebildet werden. In gleicher Weise überragt die anodenseitige Stromableiter-Endlosbahn 21 die Zwischenschicht-Endlosbahn 20 sowie die Anodenaktivmateriallage A auf der gegenüberliegenden Endlosbahnseite.
Nach der Durchführung des Beschichtungsschrittes folgt ein Schneidprozess (11), bei dem die beschichtete Separator-Endlosbahn 19 zu einem Lagenverbund-Zuschnitt 1 abgelängt und zugeschnitten wird, wie es in der 11 gezeigt ist.
Der so gefertigte Lagenverbund-Zuschnitt 1 wird gemäß der 12 einem Reinigungsprozess unterworfen, bei dem die Kathoden-Ableiterfahnen 15 und die Anoden-Ableiterfahnen 16 der Lagenverbund-Zuschnitte 1 in einem Reinigungsbad 53 mit Ultraschallgenerator 52 sowie mit Hilfe von Reinigungsrollenbürsten 55 gereinigt werden. Gemäß der 12 ist der Reinigungsprozess ein kontinuierlicher Prozess, bei dem eine Vielzahl von Lagenverbund-Zuschnitten 1 mit Hilfe von Greifern 54 in Reihe entlang einer Führungsplatte 57 geführt werden. Das Reinigungsbad ist oberseitig mit einer Bad-Abdeckung 56 mit Längsschlitz abgedeckt, durch den die Ableiterfahnen 15, 16 in das Reinigungsbad eintauchen.
Jeder Lagenverbund-Zuschnitt 1 ist in einer Schutzabdeckung 59 angeordnet, aus der lediglich die beiden Ableiterfahnen 15, 16 abragen. Im Reinigungsvorgang wird zunächst die Kathoden-Ableiterafahne 15 des jeweiligen Lagenverbund-Zuschnittes 1 im Reinigungsbad 53 gereinigt. In etwa auf halbem Prozessweg wird der Lagenverbund-Zuschnitt 1 um 180° gedreht, sodass die Anoden-Ableiterfahne 16 gereinigt werden kann.
Nach Abschluss des Reinigungsprozesses wird gemäß der 13 ein schmelzflüssiges Adhäsionsmittel auf die Ableiterfahnen 15, 16 der Lagenverbund-Zuschnitte 1 appliziert. Das schmelzflüssige Adhäsionsmittel 60 befindet sich in einem Tauchbad, in dem das Adhäsionsmittel 60 mittels einer Heizeinrichtung 61 aufgeschmolzen ist. In der 13 erfolgt der Applikationsprozess kontinuierlich, sodass eine Vielzahl von Lagenverbund-Zuschnitten 1 mittels Greifern 54 in Reihe entlang einer Führungsplatte 57 geführt werden. Jeder Lagenverbund-Zuschnitt 1 ist in einer Schutzabdeckung 59 positioniert, in der das Elektrodenaktivmaterial mittels einer Wasseremulsion gekühlt wird. Im Adhäsionsprozess werden zunächst die Kathoden-Ableiterfahnen 15 in das Adhäsionsmittel 60 eingetaucht. Auf halbem Weg wird der Lagenverbund-Zuschnitt 1 um 180° gedreht, sodass die Anoden-Ableiterfahne 16 in das schmelzflüssige Adhäsionsmittel 60 eintaucht. Nach dem Tauchvorgang werden die Ableiterfahnen 15, 16 des jeweiligen Lagenverbund-Zuschnittes 1 mit Hilfe von Kühlplatten 63 gekühlt. Anschließend werden die Ableiterfahnen 15, 16 über Gasdüsen 65 mit sauerstofffreiem Gas beaufschlagt, um die Ableiterfahnen 15, 15 zu reinigen. Zudem weist die Reinigungsstation eine Sauganlage 67 auf, mittels der verunreinigte Luft abgesaugt wird.
Die so behandelten Lagenverbund-Zuschnitte 11 werden im weiteren Prozessverlauf zum Elektroden-/Separator-Stapel 3 zusammengefügt, wie es bereits oben beschrieben worden ist.
Anhand der 14 und 15 werden zusätzliche Ausführungsbeispiele des in der 9 gezeigten Beschichtungsschrittes beschrieben: In der 14 ist ein Beschichtungsprozess gezeigt, der ebenfalls eine Trockenbeschichtung ist. Demnach wird die Separator-Endlosbahn 19 mittels einer Venturi-Düse 37 mit pulverförmigem Kathodenaktivmaterial K beschichtet. Die einseitig beschichtete Separator-Endlosbahn 19 wird durch ein erstes Kalandrierwalzenpaar 39 geführt. Im weiteren Verlauf wird die Separator-Endlosbahn 19 mittels Umlenkwalzen 41 umgelenkt, sodass die unbeschichtete Seite der Separator-Endlosbahn 19 nach oben zeigt. Im weiteren Prozessverlauf wird mittels einer zweiten Venturidüse 43 pulverförmiges Anodenaktivmaterial A auf die Separator-Endlosbahn 19 aufgetragen, und zwar mit anschließender Kalandrierung, bei der die Separator-Endlosbahn 19 durch ein zweites Kalandrierwalzenpaar 45 geführt wird die beschichtete Separator-Endlosbahn auf einem Coil aufgewickelt.
In der 15 ist ein Beschichtungsprozess gezeigt, bei dem eine Nassbeschichtung erfolgt. Demzufolge wird die noch unbeschichtete Separator-Endlosbahn 19 durch eine Dosiereinheit 47 geführt, in der ein Bindemittel sowie leitfähiger Kohlenstoff auf die Separator-Endlosbahn 19 beaufschlagt wird. Zudem wird in der Dosiereinheit 47 Kathodenaktivmaterial K mit geringem Feststoffanteil appliziert. Im weiteren Verlauf durchläuft die einseitig beschichtete Separator-Endlosbahn 19 eine Trockenkammer mit einer Anzahl von Trocknungsdüsen 49. In der Trockenkammer ist die Prozesstemperatur ausreichend, um flüssiges Lösungsmittel zu verdampfen. Die Prozesstemperatur sollte jedoch kleiner als der Aufschmelzpunkt des Polymermaterials der Separator-Endlosbahn 19 sein. Beispielhaft kann die Prozesstemperatur bei 110° C liegen. Im Anschluss an die Trockenkammer durchläuft die Separator-Endlosbahn 19 den Walzenspalt eines Kalandrierwalzenpaars 51, wodurch das applizierte Kathodenaktivmaterial K auf eine vordefinierte Dichte komprimiert wird. Danach wird die Separator-Endlosbahn 19 auf ein Coil aufgewickelt. Die bereits einseitig beschichtete Separator-Endlosbahn 19 wird einer weiteren Beschichtungseinheit zugeführt, in der in prozesstechnisch gleicher Weise das Anodenaktivmaterial A appliziert wird.
In den 16 und 17 sind weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Lagenverbund-Zuschnitts 1 gezeigt. In der 16 sind die Anodenaktivmateriallage A und die Kathodenaktivmateriallage K unmittelbar auf der Separator-Zwischenschicht 9 beschichtet, während die Stromableiterschicht 11 an der Außenseite des Lagenverbund-Zuschnitts 1 angeordnet ist. Die Anodenaktivmateriallage A ist daher zwischen der äußeren Stromableiterschicht 11 und der Separator-Zwischenschicht 9 angeordnet. Auf der in Dickenrichtung gegenüberliegenden Seite ist auch die Kathodenaktivmateriallage K zwischen der äußeren Stromableiterschicht 11 und der Separator-Zwischenschicht 9 angeordnet. Das bedeutet, dass sich die Ionen während der Entladung vom aktiven Anodenmaterial A durch die isolierende Separator-Zwischenschicht 9 zum aktiven Kathodenmaterial K bewegen. Die Elektronen bewegen sich vom leitfähigen Polymer auf der Anodenbeschichtung A zum anderen leitfähigen Polymer auf der Kathodenbeschichtung K. Auf diese Weise werden die lonenbewegung und die Elektronenbewegung getrennt. Die Ionen müssen nicht durch die leitende Schicht wandern.
Das Ausführungsbeispiel der 17 ist eine Weiterentwicklung der 16. Demnach ist auf der oberen anodenseitigen Stromableiterschicht 11 eine weitere Anodenaktivmateriallage A aufgebracht. In gleicher Weise ist auf die untere kathodenseitigen Stromableiterschicht 11 eine weitere Kathodenaktivmateriallage K aufgebracht. Das bedeutet, dass beide Seiten der Oberfläche des aktiven Materials mit aktivem Material beschichtet werden, wodurch die Kapazität der Monozelle erhöht wird.
Bezugszeichenliste

1: Lagenverbund-Zuschnitt
3: Elektroden-/Separator-Stapel
5: Zellgehäuse
7: Separatorlage
9: Separator-Zwischenschicht
11: Stromableiterschichten
K: Kathodenaktivmateriallage
A: Anodenaktivmateriallage
15: Kathoden-Ableiterfahne
16: Anoden-Ableiterfahne
17: Kathoden-Zellableiter
18: Anoden-Zellableiter
19: Separator-Endlosbahn
20: Zwischenschicht-Endlosbahn
21: Stromableiter-Endlosbahn
25: Walzenpaar
26: Trägerfolien
27: Mikrostruktur
29: Behandlungsvorrichtung
31: Dosiereinheit
33: erstes Walzenpaar
35: zweites Walzenpaar
37: Venturidüse
39: Kalandrierwalzenpaar
41: Umlenkwalzen
43: Venturidüse
45: Kalandrierwalzenpaar
47: Dosiereinheit
49: Trocknungsdüsen
51: Kalandrierwalzenpaar
52: Ultraschallgenerator
53: Reinigungsbad
54: Greifer
55: Reinigungsrollenbürsten
57: Führungsplatte
59: Schutzabdeckung
60: Adhäsionsmittel
61: Heizeinrichtung
63: Kühlplatte
65: Gasdüsen
67: Sauganlage
a: Überstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011114613 A1 [0007]
EP 3654415 A1 [0007]

Claims

Batteriezelle mit einem Zellgehäuse (5), in dem ein Elektroden-/Separator-Stapel (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroden-/Separator-Stapel (3) zumindest einen Lagenverbund-Zuschnitt (1) aufweist, in dem eine Separatorlage (7) in einem Beschichtungsprozess beidseitig direkt mit jeweils einer Anodenaktivmateriallage (A) und mit einer Kathodenaktivmateriallage (K) beschichtet ist, und dass insbesondere der Elektroden-/Separator-Stapel (3) aus einer Mehrzahl übereinander gestapelter Lagenverbund-Zuschnitte (1) ausgebildet ist, wobei die Anodenaktivmateriallagen (A) benachbarter Lagenverbund-Zuschnitte (1) in Kontakt übereinander liegen und in gleicher Weise die Kathodenaktivmateriallagen (K) benachbarter Lagenverbund-Zuschnitte (1) in Kontakt übereinander liegen.
Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorlage (7) dreischichtig aufgebaut ist, und zwar mit einer elektrisch isolierenden, insbesondere porösen Separator-Zwischenschicht (9) etwas aus Polymer, an der beidseitig elektrisch leitfähige Stromableiterschichten (11) etwa aus Polymer angeordnet sind, auf denen jeweils das Elektrodenaktivmaterial (A, K) beschichtet ist.
Batteriezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromableiterschichten (11) jeweils eine Kathoden-Ableiterfahne (15) oder eine Anoden-Ableiterfahne (16) aufweisen, die seitlich mit Überstand (a) die Elektrodenaktivmateriallagen (K, A) und die elektrisch isolierende Separator-Zwischenschicht (9) überragt.
Verfahren zur Fertigung einer Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit - einem Beschichtungsschritt, bei dem eine Separator-Endlosbahn (19) in einem Naß- oder Trockenbeschichtungsprozess beidseitig jeweils mit einem Kathodenaktivmaterial (K) und mit einem Anodenaktivmaterial (A) beschichtet wird, - einem Schneidschritt, bei dem die beschichtete Separator-Endlosbahn (19) zu einem Lagenverbund-Zuschnitt (1) abgelängt und zugeschnitten wird, und - einem Stapelschritt, bei dem die Lagenverbund-Zuschnitte (1) zum Elektroden-/Separator-Stapel (3) übereinander gestapelt werden, der im weiteren Prozessverlauf im Zellgehäuse (5) verbaut wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Separator-Endlosbahn (19) in einem Laminationsprozess aus einer Zwischenschicht-Endlosbahn (20) sowie zwei Stromableiter-Endlosbahnen (21) hergestellt wird, auf denen jeweils im Beschichtungsschritt das Anodenaktivmaterial (A) und das Kathodenaktivmaterial (K) aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodenseitige Stromableiter-Endlosbahn (21) die Zwischenschicht-Endlosbahn (20) sowie die Kathodenaktivmateriallage (K) in Endlosbahnquerrichtung mit einem Ableiter-Überstand (a) seitlich überragt, aus dem im weiteren Prozessverlauf Kathodenableiterfahnen (15) gebildet werden, und dass die anodenseitige Stromableiter-Endlosbahn (21) die Zwischenschicht-Endlosbahn (20) sowie die Anodenmateriallage (A) auf der gegenüberliegenden Endlosbahnseite ebenfalls mit einem Ableiter-Überstand (a) überragt, aus dem im weiteren Prozessverlauf die Anodenableiterfahnen (16) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steigerung der Haftverbindung mit dem Elektrodenaktivmaterial (A, K) der Separatorlage (7) beidseitig eine Oberflächen-Mikrostruktur (27) aufgeprägt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodenseitige Stromableiterschicht (11) und die anodenseitige Stromableiterschicht (11) materialidentisch sind, und/oder dass in einem Fügeschritt sämtliche Kathoden-Ableiterfahnen (15) des Elektroden-/Separator-Stapels (3) zusammengefügt und mit dem Kathoden-Zellableiter (18) verbunden werden, und dass sämtliche Anoden-Ableiterfahnen (16) des Elektroden-/Separator-Stapels (3) zusammengefügt und mit dem Anoden-Zellableiter (18) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor Durchführung des Fügeschritts die Ableiterfahnen (15, 16) der Lagenverbund-Zuschnitte (1) gereinigt werden, etwa durch Ultraschallreinigung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor Durchführung des Beschichtungsschritts die Oberflächen der Separator-Endlosbahn (19), insbesondere durch Plasmabehandlung, aktiviert werden.