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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer Elektrode für eine Batteriezelle nach dem Anspruch 1.
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Die Herstellung einer Lithium-lonen-Batteriezelle umfasst im Wesentlichen die drei Hauptprozessschritte Elektrodenfertigung, Zellassemblierung sowie Formation und Aging. Die Elektrodenfertigung weist unter Anderem den Mischprozess, das Beschichten und die Elektrodentrocknung auf. Im Beschichtungsprozess wird ein als Aluminium- und/oder Kupferfolie ausgebildeter Stromableiter mit einer viskosen Rohschicht aus dem Mischprozess beschichtet, die unter anderem ein Lösemittel enthält. Im Trocknungsprozess wird der Rohschicht das Lösemittel durch Verdampfen entzogen, und zwar unter Fertigstellung der Elektrodenbeschichtung.
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Im Stand der Technik sind die Prozessparameter im Trocknungsprozess, das heißt der Wärmeeintrag und/oder die Prozessdauer, so zu bemessen, dass eine gleichmäßige Trocknung erfolgt, die eine spannungsfreie sowie rissfreie Schichtausbildung der Elektrodenbeschichtung ermöglicht.
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Die Freiheitsgrade bei der Auslegung der Prozessparameter im Beschichtungsprozess und im Trocknungsprozess sind prozesstechnisch insoweit beschränkt, als eine Schichtdickenungenauigkeit in der Elektrodenbeschichtung vermieden werden muss. Eine solche Schichtdickenungenauigkeit ergibt sich, wenn nach dem Beschichtungsprozess aufgrund von Materialfluss in der Rohschicht sich die Schichtdicke der Rohschicht ändert. Eine solche Schichtdickenungenauigkeit kann die Funktionsfähigkeit der Batteriezelle beeinträchtigen.
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Aus der
JP 2016-71956 A ist ein Verfahren zur Fertigung einer Elektrode für eine Batteriezelle bekannt. Die
DE 10 2010 008 303 A1 offenbart ein Verfahren zur Beladung eines flächigen Bauelementes einer Brennstoffzelle mit Katalysatormaterial und ein entsprechendes Katalysatormaterial. Aus der
DE 602 09 116 T2 ist die Überprüfung einer Beschichtungskante bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fertigung einer Elektrode für eine Batteriezelle bereitzustellen, bei dem in prozesstechnisch einfacher Weise eine rissfreie Ausbildung der Elektrodenbeschichtung mit hoher Schichtdickengenauigkeit durchführbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Fertigung einer Elektrode aus, die einen Stromableiter mit Elektrodenbeschichtung aufweist. In einem Beschichtungsprozess wird der Stromableiter mit einer viskosen Rohschicht beschichtet. Anschließend folgt ein Trocknungsprozess, bei dem der Rohschicht das Lösemittel entzogen wird. Dadurch bildet sich die Elektrodenbeschichtung. Gemäß dem Anspruch 1 enthält die viskose Rohschicht eine chemisch, thermisch oder optisch aktivierbare Kleber-Ausgangskomponente. Dem Trocknungsprozess ist prozesstechnisch ein Stabilisierungsprozess vorgeschaltet, in dem die Kleber-Ausgangskomponente aktiviert wird, und zwar unter Bildung eines Klebers. Mit Hilfe des Klebers wird die viskose Rohschicht zumindest lokal begrenzt stabilisiert, so dass eine Schichtdickenungenauigkeit aufgrund von Materialfluss in der Rohschicht reduziert wird.
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Das bei der Elektrodenfertigung verwendete Bindemittel kann bevorzugt aus hoch fluoridierten, sehr langen Kohlenwasserstoffketten, wie etwa PVDF, bestehen. Dieser wird bei der Slurry-Herstellung zusammen mit dem Elektrodenaktivmaterial, dem Lösemittel und einer elektrischen Leitkomponente (zum Beispiel Leitruß) sowie weiteren Additiven vermischt. Erfindungsgemäß kann ein Lösemittel-Bestandteil die Kleber-Ausgangskomponente sein. Diese wird bei entsprechender Aktivierung im Stabilisierungsprozess zu einer Bindersubstanz (das heißt zu einem Kleber) polymerisiert, welche dann adhäsiv und kohäsiv wirkt. Dies kann zum Beispiel lokal (beispielsweise an Kanten) oder vollflächig geschehen. Zum Zeitpunkt des Triggerns der Kleber ausbildenden Reaktion bleibt das eigentliche Bindemittel (beispielsweise PVDF) inaktiv. Die hier aktive Komponente ist beispielsweise ein Teil des Lösemittel-Konzeptes, welches aus Anteilen aktiver Komponenten (das heißt der Kleber-Ausgangskomponente) und inaktiver Komponenten (das heißt dem klassischen Lösemittel) besteht. Die aktive Kleber-Ausgangskomponente, die reagieren soll, kann beispielsweise aus einem Monomer und einem Initiator bestehen. Die aktive Kleber-Ausgangskomponente wird nun durch lokale oder globale, spezifische Energiezufuhr zu einem langkettigen Molekül zu einem Kleber umgesetzt und wird damit adhäsiv und kohäsiv wirksam, so dass der dabei gebildete Kleber Teil des Binder-Konzeptes ist. Von daher liegen nach dem Triggern der Reaktion (das heißt nach erfolgtem Stabilisierungsprozess) zwei Bindemittel vor: erstens das Bindemittel, das schon bei der Slurry-Herstellung beigemischt worden ist; und zweitens der Kleber, der aus der Kleber-Ausgangskomponente entstanden ist. An Lösemittel liegen noch die ursprünglich inaktiven, an der Polymerreaktion unbeteiligten Lösemittel-Bestandteile sowie auch noch Reste des abreagierten Lösemittel-Bestandteils (das heißt der Kleber-Ausgangskomponente) vor. Zudem liegt noch reaktive Initiale Komponente in nicht zum Kleber umgesetzten Regionen der Slurry vor.
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Erfindungsgemäß können daher die Prozessparameter im Trocknungsprozess alleine mit Bezug auf eine spannungsfreie sowie rissfreie Schichtausbildung optimiert werden, und zwar unabhängig von Prozessbeschränkungen im Hinblick auf eine Schichtdickengenauigkeit. Die Schichtdickengenauigkeit kann bereits im Stabilisierungsprozess sichergestellt werden.
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In einer technischen Umsetzung besteht die flüssige Kleber-Ausgangskomponente aus Monomeren. Im Unterschied zu dem Lösemittel können beispielsweise die Monomere der Kleber-Ausgangskomponente bei der im Stabilisierungsprozess durchgeführten Aktivierung über eine radikale Polymerisation zu einem langkettigen Polymer auspolymerisiert, das den Kleber bildet. Demgegenüber bleibt das bei der Slurry-Herstellung zusätzlich beigemischte Lösemittel beispielsweise gegebenenfalls inaktiv. Alternativ dazu können beispielsweise auch Mehrkomponenten-Reaktionen stattfinden.
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Nach dem Stabilisierungsprozess folgt der Trocknungsprozess, in dem das inaktive Lösemittel sowie Reste der nicht an der Aktivierung beteiligten Kleber-Ausgangskomponente der Elektrodenbeschichtung durch Verdampfen entzogen werden.
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Bei einer nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsform kann die Kleber-Ausgangskomponente optisch, insbesondere durch UV-Strahlung, aktivierbar sein. In diesem Fall kann im Stabilisierungsprozess die Rohschicht mit Strahlung, insbesondere UV-Strahlung, beaufschlagt werden. In einer ersten Ausführungsvariante kann im Stabilisierungsprozess die Rohschicht vollflächig mit Strahlung beaufschlagt werden. Alternativ dazu kann die Rohschicht im Stabilisierungsprozess mit Hilfe eines Deckelements verschattet werden. In diesem Fall wird nur ein lokal begrenzter Bereich der Rohschicht mit Strahlung beaufschlagt.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Aktivierung der Kleber-Ausgangskomponente nicht optisch, sondern nach Art eines Zwei-Komponentenklebers, bei dem die Kleber-Ausgangskomponente durch Zugabe einer weiteren Aktivierungskomponente chemisch, optisch, thermisch oder allgemein durch einen speziellen Energieeintrag aktivierbar ist. In diesem Fall kann im Stabilisierungsprozess die flüssige Aktivierungskomponente zumindest teilflächig auf die Rohschicht aufgetragen werden und diese durchtränken.
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Dem Beschichtungsprozess ist in gängiger Praxis ein Mischprozess vorgeschaltet, in dem eine gelartige Paste, das heißt der Slurry, hergestellt wird. Dieser wird im Beschichtungsprozess als Rohschicht auf den Stromableiter beschichtet. Der Slurry besteht in bekannter Weise aus dem Elektrodenaktivmaterial, dem Lösemittel, dem Bindemittel, einer Leitkomponente und weiteren Additiven. Bevorzugt kann die Kleber-Ausgangskomponente bereits unmittelbar im Mischprozess als ein Additiv dem Slurry beigemischt werden.
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Alternativ dazu kann die Beimischung der Kleber-Ausgangskomponente nicht während der Slurry-Herstellung erfolgen. Vielmehr kann die Kleber-Ausgangskomponente nach dem Beschichtungsprozess zielgerichtet nur auf einen lokal begrenzten Bereich der Rohschicht aufgebracht werden. Im folgenden Stabilisierungsprozess wird daher die im lokal begrenzten Bereich befindliche Kleber-Ausgangskomponente aktiviert. Bevorzugt kann der lokal begrenzte Bereich der Rohschicht ein Randbereich entlang der Schichtkanten der Rohschicht sein. Alternativ dazu kann sich der lokal begrenzte Bereich auch im Mittelbereich der Rohschicht befinden, beispielsweise an Stellen von Schnittkanten in Folgeprozessen.
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Beispielhaft kann die Kleber-Ausgangskomponente lediglich oberflächennah unter Bildung des Klebers aktiviert werden. In diesem Fall können nicht an der Aktivierungsreaktion beteiligte Reste der Kleber-Ausgangskomponente im Trocknungsprozess durch Verdampfen der Elektrodenbeschichtung entzogen werden. Alternativ dazu kann die in der Rohschicht befindliche Kleber-Ausgangskomponente auch vollständig aktiviert werden.
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In einer weiteren Prozessführung kann auf einen Trocknungsprozess verzichtet werden: Demnach wird bei der Slurry-Herstellung ein Lösemittel beigemischt, das vollständig durch einen speziellen Energieeintrag aktivierbaren Kleber-Ausgangskomponente gebildet ist. Nach dem Beschichtungsprozess folgt der Stabilisierungsprozess. Im Stabilisierungsprozess reagiert die in der Rohschicht enthaltene Kleber-Ausgangskomponente komplett zu einem (langkettigen) Kleber. In diesem Fall verbleiben daher keine Reste an flüssigem Lösungsmittel (beispielsweise ein kurzkettiges Monomer, welches zu Kleber umgesetzt wird) in der Rohschicht, so dass der Trocknungsprozess wegfallen kann. Die Kleber-Ausgangskomponente besteht aus Monomeren, die bei der Aktivierung im Stabilisierungsprozess über beispielsweise eine radikale Polymerisation zu einem langkettigen Polymer auspolymerisieren, das den Kleber bildet.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Ansicht eine fertiggestellte Elektrode;
- 2 und 3 jeweils Ansichten, anhand derer eine erste Prozessführung zur Fertigung der Elektrode veranschaulicht sind;
- 4 und 5 jeweils Ansichten, anhand derer ein zweites Ausführungsbeispiel veranschaulicht ist; und
- 6 und 7 jeweils Ansichten, anhand derer ein drittes Ausführungsbeispiel veranschaulicht ist.
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In der 1 ist eine fertiggestellte Elektrode E gezeigt. Die Elektrode E weist einen folienartigen Stromableiter 1 aus Aluminium- oder Kupfermaterial auf. Der Stromableiter 1 ist beidseitig mit einer Elektrodenbeschichtung 3 vordefinierter Schichtdicke s beschichtet. In der 1 ist der Stromableiter 1 mit einer Ableiterfahne 5 seitlich über die Elektrodenbeschichtungen 3 hinaus verlängert.
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Die in der 1 gezeigte Elektrode E wird in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess hergestellt, der nachfolgend anhand der 2 und 3 beschrieben wird: Zunächst wird eine Stromableiter-Bahnware 7 bereitgestellt, die in der Fertigungsrichtung FR einer Beschichtungsstation 9 zugeführt wird. In der Beschichtungsstation 9 wird die Stromableiter-Bahnware 7 mittels zum Beispiel einer Auftragsdüse 15 mit einer viskosen Rohschicht 17 beschichtet. Die Auftragsdüse 15 wird von einer Mischereinheit 16 mit Hilfe einer Dosierpumpe 18 mit dem Slurry, das heißt der gelartigen Paste, versorgt. Dieser wird in einem Mischprozess hergestellt. Der Slurry besteht in bekannter Weise aus einem Elektrodenaktivmaterial, aus einem Lösemittel 22, aus einem Bindemittel, das üblicherweise einen langkettigen (Fluor-)Kohlenwasserstoff aufweist, aus Leitruß sowie aus weiteren Additiven.
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Beispielhaft kann die Oberseite und die Unterseite der Stromableiter-Bahnware 7 sequentiell oder simultan beschichtet werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der 2 nur die Beschichtung der Oberseite der Stromableiter-Bahnware 7 gezeigt. Nach erfolgter Beschichtung durchläuft die Stromableiter-Bahnware 7 eine Stabilisierungsstation 11, deren Wirkungsweise später beschrieben ist. Im weiteren Prozessverlauf durchläuft die Stromableiter-Bahnware 7 eine Trocknungsstation 13, in der hier beispielhaft unter Wärmeeinwirkung das Lösemittel 22 sowie Reste einer später beschriebenen Kleber-Ausgangskomponente 21 der Rohschicht 17 entzogen werden. Zurück bleibt die finale Elektrodenbeschichtung 3. Das in der Trocknungsstation 13 verdampfende Lösemittel 22 wird über eine Absaugeinrichtung 19 abgesaugt. Auf diese Weise bildet sich auf der Stromableiter-Bahnware die Elektrodenbeschichtung 3 mit vordefinierter Schichtdicke s.
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Im weiteren Prozessablauf wird die Stromableiter-Bahnware 7 einer (nicht gezeigten) Kühlstrecke zugeführt. Anschließend kann ein Kalandrieren erfolgen, bei dem die Elektrodenbeschichtungen 3 verdichtet werden. Danach können Schneidoperationen durchgeführt werden, um die Elektroden aus der Bahnware 7 zu vereinzeln und um die Ableiterfahne 5 zu herzustellen. Danach folgt ein Stapelprozess, bei dem ein Elektroden- /Separatorstapel in an sich bekannter Weise hergestellt wird.
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Ein relevantes Qualitätskriterium betrifft eine rissfreie Schichtausbildung der Elektrodenbeschichtung 3. Dieses kann im Trocknungsprozess durch entsprechende Einstellung von Prozessparametern, das heißt dem Wärmeeintrag und/oder der Prozessdauer, erfüllt werden. Ein weiteres Qualitätskriterium betrifft die Schichtdickengenauigkeit der Elektrodenbeschichtung 3: Die Schichtdickengenauigkeit ändert sich im Stand der Technik insbesondere während des Trocknungsprozesses. Der Trocknungsvorgang nimmt eine vergleichsweise lange Prozessdauer in Anspruch, um die rissfreie Schichtausbildung zu gewährleisten.
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Um das Risiko einer Schichtdickenungenauigkeit während des Trocknungsprozesses zu vermeiden, sind erfindungsgemäß die folgenden Maßnahmen getroffen: So wird dem Slurry in der Mischereinheit 16 zusätzlich eine zum Beispiel optisch aktivierbare (kurzkettige) Kleber-Ausgangskomponente 21 als Additiv beigemischt, das zum Beispiel mittels UV-Bestrahlung 24 zu einem (langkettigen) Kleber bzw. einem Bindemittel reagiert. Die flüssige Kleber-Ausgangskomponente 21 besteht, beispielsweise aus Monomeren. Im Unterschied zum inaktiven Lösemittel 22 können die Bestandteile der Kleber-Ausgangskomponente 21 mittels des im Stabilisierungsprozess durchgeführten speziellen Energieeintrages 24, beispielsweise UV-Bestrahlung, über eine Aktivierung, beispielsweise eine radikale Polymerisation, zu einem Bindemittel, beispielsweise einem langkettigen Polymer ausgebildet werden, das den Kleber bildet.
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Der Stabilisierungsprozess wird in der in der 2 angedeuteten Stabilisierungsstation 11 durchgeführt. In der Stabilisierungsstation 11 erfolgt durch einen speziellen Energieeintrag, beispielsweise mit Hilfe einer nicht gezeigten UV-Lampe eine UV-Bestrahlung 24 (2 und 3) des Randbereiches 25 der Rohschicht 17. Der Randbereich 25 erstreckt sich entlang der Schichtkanten der Rohschicht 17. Demgegenüber ist ein Mittelbereich 27 (nur in der 7 gezeigt) der Rohschicht 17 mit Hilfe eines Deckelementes 29 (3) von dem speziellen Energieeintrag verschattet, wodurch es im Mittelbereich 27 zu keiner Reaktion der beispielsweise optisch aktivierbaren Kleber-Ausgangskomponente 21 kommt. Im Randbereich 25 wird dagegen die Kleber-Ausgangskomponente 21 durch Einwirkung des speziellen Energieeintrages 24 zumindest oberflächennah zu dem Kleber umgesetzt. Dadurch kann ein Materialfluss in der Rohschicht 17 nach außen verhindert werden. Ein solcher Materialfluss würde ansonsten die Schichtdicke s und deren Profil in der Rohschicht ändern. Erfindungsgemäß erfolgt mit Hilfe des bei der Polymerreaktion gebildeten Klebers eine randseitige Stabilisierung der Rohschicht 17, wodurch die Schichtdickengenauigkeit der Elektrodenbeschichtung 3 gesteigert ist.
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In der nachfolgenden Trocknungsstation 13 werden das inaktive Lösemittel 22 sowie die noch nicht mit der UV-Bestrahlung 24 reagierte optisch aktive Kleber-Ausgangskomponente 21 der Rohschicht 17 unter Wärmeeinwirkung entzogen, wodurch sich die Elektrodenbeschichtung 3 bildet. Das in der Trocknungsstation 13 verdampfte Lösemittel 22 sowie die verdampfte optisch aktive Kleber-Ausgangskomponente 21 werden über eine Absaugeinrichtung 19 abgeleitet.
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In der 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel angedeutet, dessen Prozessführung im Wesentlichen identisch ist mit der anhand der 2 und 3 gezeigten Prozessführung. Im Unterschied zu den 2 und 3 wird in der 4 bei der UV-Bestrahlung 24 in der Stabilisierungsstation 11 auf das Deckelement 29 verzichtet. Dadurch wird die gesamte Oberfläche der Rohschicht 17 mit dem speziellen Energieeintrag 24 beaufschlagt. Die energetisch aktive Kleber-Ausgangskomponente 21 härtet daher vollflächig auf der gesamten Rohschicht 17 aus. Die Aushärtung erfolgt dabei zum Beispiel oberflächennah nur insoweit, als es für eine Stabilisierung der Rohschicht 17 erforderlich ist, um eine Schichtdickengenauigkeit im Randbereich 25 der Rohschicht 17 zu unterstützen.
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In den 6 und 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen wird in der 6 die optisch aktive Kleber-Ausgangskomponente 21 nicht in der Mischereinheit 16 dem Slurry beigemischt. Vielmehr ist der Stabilisierungsstation 11 eine Dosierdüse 29 vorgeschaltet, mittels der das optische Bindemittel 21 auf den Randbereich 25 der Rohschicht 17 aufgetragen wird. Das auf den Randbereich 25 der Rohschicht 17 aufgetragene optisch zum Bindemittel 21 aktivierbare Material ist in der 7 durch Kreuzschraffur hervorgehoben.
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Anschließend wird in der Stabilisierungsstation 11 der spezielle Energieeintrag 24 durchgeführt, wodurch das auf den Randbereich 25 der Rohschicht 17 aufgetragene energetisch aktivierbare Substanz zum Bindemittel 21 aushärtet, um die Rohschicht 17 zu stabilisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Stromableiter
- 3
- Elektrodenbeschichtung
- 5
- Ableiterfahne
- 7
- Stromableiter-Bahnware
- 9
- Beschichtungsstation
- 11
- Stabilisierungsstation
- 13
- Trocknungsstation
- 15
- Auftragsdüse
- 16
- Mischereinheit
- 17
- Rohschicht
- 18
- Dosierpumpe
- 19
- Absaugeinrichtung
- 21
- optisch aktivierbare Kleber-Ausgangskomponente
- 22
- inaktives Lösemittel
- 24
- UV-Bestrahlung
- 25
- Randbereich
- 27
- Mittelbereich
- 29
- Deckelement
- 31
- Dosierdüse
- E
- Elektrode
- s
- Schichtdicke
- FR
- Fertigungsrichtung
