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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle, insbesondere zur Herstellung einer Halb- oder Monozelle. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Zellkomponente für eine Feststoffzelle sowie eine Feststoffzelle und eine Festkörperbatterie.
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Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an eine fahrzeuginterne (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.
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Unter einer insbesondere elektrochemischen Batterie ist hier und im Folgenden insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Fahrzeugbatterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt.
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Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Fahrzeugbatterien typischerweise mindestens ein Batteriemodul (Batteriezellmodul) auf, bei welchem mehrere einzelne Batteriezellen modular verschaltet sind. Alternativ ist ein sogenanntes Cell2Pack-Design möglich, bei welchem die Batteriezellen direkt zu der Fahrzeugbatterie zusammengeschaltet, insbesondere parallelgeschaltet, und nicht vorab zu Modulen zusammengefasst werden.
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Die Batteriezellen sind beispielsweise als elektrochemische (Dünn-)Schichtzellen ausgeführt. Die Dünnschichtzellen weisen einen geschichteten Aufbau mit einer Kathodenschicht (Kathode) und mit einer Anodenschicht (Anode) sowie mit einer dazwischen eingebrachten Separatorschicht (Separator) auf. Diese Bestandteile werden beispielsweise von einem flüssigen Elektrolyten (Flüssigelektrolyt) durchdrungen, welcher eine ionenleitfähige Verbindung der Bestandteile beziehungsweise einen Ladungsausgleich erzeugt. In der Regel sind hierbei mehrere Schichtzellen als ein Zellenstapel übereinander gestapelt angeordnet.
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Die Effizienz der Zellproduktion wird durch den Herstellungsprozess sowie durch die Produktkonstitution festgelegt. Einer der effizientesten Produktionsstrategien von konventionellen Dünnschichtzellen ist die Herstellung von Monozellen (Einzel-Zellen) mittels Lamination und einer darauf folgenden Stapelbildung zu einem Monozellenstapel (Einzel-Zellen-Stapel, Einzel-Zellen-Stack) mit finaler Lagen- oder Schichtanzahl. Unter „Lamination“ wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass eine Anode und/oder eine Kathode durch Einbringung von Druck und Temperatur an einem oder mehreren laminierfähigen Separatoren gefügt wird. Die daraus entstehen Monozellen können beispielsweise als Anode/Separator/Kathode/Separator-Stapel oder als Kathode/Separator/Anode/Separator-Stapel ausgeführt sein. Durch die Produktkonstitution beziehungsweise den Aufbau der Monozellen kann durch direkte Stapelung ein alternierender Zellaufbau hergestellt werden.
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Batteriezellen mit einem Festkörperelektrolyten (Festelektrolyt, FE) als Separatorschicht, nachfolgend auch als Festkörperzellen oder Feststoffzellen bezeichnet, weisen bei gleichem Baugewicht und/oder Bauvolumen eine höhere Energiespeicherdichte als Schichtzellen mit Flüssigelektrolyten auf. Batterien mit Festkörperzellen sind nachfolgend auch als Festkörperbatterien (FKB) oder Feststoffbatterien bezeichnet.
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In Festkörperbatterien werden die (Festkörper-, Feststoff-)Elektroden oder Elektrodenschichten, also die Kathoden mit einem Katholyt beziehungsweise die Anoden (ungleich Li-Metall) mit einem Anolyt, mit einem Festkörperelektrolyten (Keramik, Glas oder Glaskeramik) als Separator zu einem Zellstapel gestapelt. Der Anolyt und/oder der Katholyt können hierbei aus einem Polymer oder einer Keramik, einem Glas oder einer Glaskeramik bestehen.
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Nachteiligerweise sind die Separatoren bzw. Festkörperelektrolyte bei Feststoffzellen vergleichsweise fragil und nicht lokal aufschmelzbar, so dass die konventionelle Laminations-Technologie nicht für die Herstellung von Feststoffzellen einsetzbar ist. Aktuell gibt es keinen kontinuierlichen Produktionsprozess zur Herstellung von Feststoffzellen-Monozellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle anzugeben. Insbesondere soll eine möglichst effektive und effiziente Herstellung von Feststoffzellen realisiert werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Zellkomponente und eine besonders geeignete Feststoffzelle sowie eine besonders geeignete Festkörperbatterie anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Zellkomponente mit den Merkmalen des Anspruchs 4 sowie hinsichtlich der Feststoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und hinsichtlich der Feststoffbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 7 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung betrifft ein neues Zelldesign für Feststoffzellen, welches die Produktion wesentlich effizienter gestaltet. Die Erfindung betrifft insbesondere den Aufbau einer Zellkomponente, insbesondere einer Feststoff-Halbzelle oder einer Sandwich-Zelle oder einer Feststoff-Monozelle (Feststoff-Einzel-Zelle) oder eines Monozellenstapels, zur Realisierung eines möglichst kontinuierlichen Produktionsprozesses. Die Herstellung dieser Halb- oder Monozellen geschieht jedoch nicht wie bei konventionellen Lithium-Ionen-Zellen über das Erwärmen der Zellkomponenten, sondern über den Einsatz eines schmelzflüssigen Klebstoffes.
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Unter einem schmelzflüssigen Klebstoff wird ein Klebstoff oder Adhäsionsmittel verstanden, welches im getrockneten oder erhärteten Zustand ein Festkörper ist, und welcher bei einer Erwärmung in einen flüssigen Aggregatzustand übergeht. Der schmelzflüssige Klebstoff ist also insbesondere als ein Schmelzklebstoff oder Heißklebstoff (Hotmelt) ausgeführt. Der schmelzflüssige Klebstoff weist hierbei vorzugsweise eine vergleichsweise niedrige Schmelztemperatur zwischen 25 °C (Grad Celsius) und 50 °C, insbesondere zwischen 30 °C und 40 °C, beispielsweise etwa 35 °C auf. Der Begriff „etwa“ bezeichnet hierbei insbesondere einen gewissen Temperaturbereich um den angegeben Temperaturwert, beispielsweise ± 3°. Beispielsweise ist eine Temperatur von etwa 35° als (35 ± 3)°, also als ein Temperaturbereich zwischen 32 °C bis 38 °C, zu verstehen.
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Unter einer (Feststoff-)Halbzelle (Feststoff-Halb-Zelle) ist hier und im Folgenden insbesondere eine Zellkomponente mit lediglich zwei Zellschichten oder Zelllagen zu verstehen. Unter einer Zellschicht oder Zelllage ist hierbei ein zugeschnittenes oder abgelängtes (Elektroden/Separator-)Blatt zu verstehen Die Zellschichten weisen hierbei eine Elektrodenschicht, also eine Festkörper- oder Feststoffelektrode, beispielsweise eine Kathodenschicht oder Anodenschicht, und eine Separatorschicht, also einen Festkörperelektrolyten, auf. Die Elektrodenschicht und die Separatorschicht sind übereinander gestapelt angeordnet. Die Halbzelle bildet im Hinblick auf die Zellherstellung die kleinste Baueinheit oder Zellkomponente.
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Das Elektrodenschicht weist hierbei beispielsweise ein (Elektroden-)Aktivmaterial, einen Binder, ein Leitruß und einen Festelektrolyt auf. Das Elektrodenschichtweist als Aktivmaterial beispielsweise ein Anoden- oder Kathodenaktivmaterial auf.
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Für eine Anode wird beispielsweise Graphite (Grafit) oder Lithium-Legierende Materialien wie beispielsweise Silizium (Si), Zink (Sn), oder Lithium-Titanat verwendet. Die Anode kann beispielsweise auch lediglich durch einen Kollektor (Kupfer/Aluminium) gebildet sein, auf welchem sich Lithium abscheiden kann. Der Kollektor kann hierbei auch beschichtet sein, beispielsweise kann der Kollektor eine Nickelbeschichtung aufweisen.
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Im Falle einer Kathode werden insbesondere Lithium-Übergangsmetalloxide wie NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide) oder LMNO (Lithium-Mangan-Nickel-Oxid) mit unterschiedlichen stöchiometrichen Verhältnissen, LFP (Lithium-Eisen-Phosphat) oder andere Phosphate wie LMP (Lithium-Metall-Polymer) verwendet. Als Leitadditive können zum Beispiel (Leit-)Ruße, Graphen, Carbon Nano Tubes (CNT) in der Ausführung als Single Wall (SWCNT) oder Multi Wall (MWCNT) oder auch Kombinationen hieraus verwendet werden.
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Als Separatormaterial für die Separatorschicht kann beispielsweise LLZO (Lithium-Lanthan-Zirconium-Oxid) oder LATP (Aluminium-Lithium-Titian-Phosphat) und deren Derivate verwendet werden.
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Die nächst größere Baueinheit oder Zellkomponente ist hier und im Folgenden auch als Sandwich-Zelle (Sandwichzelle) bezeichnet. Eine Sandwichzelle weist drei Zellschichten auf. Hierbei ist entweder eine Elektrodenschicht sandwichartig zwischen zwei Separatorschichten angeordnet, oder eine Separatorschicht ist sandwichartig zwischen zwei Elektrodenschichten mit unterschiedlicher Polarität, also zwischen einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht, angeordnet.
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Unter einer (Feststoff-)Monozelle (Feststoff-Mono-Zelle) ist hier und im Folgenden insbesondere eine Anordnung von zwei Halbzellen mit unterschiedlicher Polarität zu verstehen. Dies bedeutet, dass eine Halbzelle mit einer Anodenschicht und die andere Halbzelle eine Elektrodenschicht mit einer Kathodenschicht aufweist. Die Monozellen sind beispielsweise als Anode/Separator/Kathode/Separator-Stapel oder als Kathode/Separator/Anode/Separator-Stapel ausgeführt.
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Unter einem Monozellenstapel ist hier und im Folgenden insbesondere eine direkte alternierende Anordnung von einer Anzahl von Monozellen, also zumindest von zwei Monozellen, zu verstehen, so dass im Zellstapel entlang der Stapelrichtung alternierend Anodenschichten und Kathodenschichten angeordnet sind, wobei die Elektrodenschichten jeweils durch Separatorschichten voneinander getrennt sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Herstellung einer Feststoffzelle, insbesondere einer Zellkomponente, wie beispielsweise einer Halb-, Sandwich- oder Monozelle oder eines Monozellenstapels, vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Verfahrensgemäß werden mindestens zwei Zellschichten oder Zelllagen bereitgestellt. Insbesondere werden mindestens eine Elektrodenschicht und mindestens eine Separatorschicht bereitgestellt. Erfindungsgemäß wird ein schmelzflüssiger und ionenleitfähiger Klebstoff auf zumindest eine der Grenzfläche der Separatorschicht und/oder der Elektrodenschicht aufgetragen. Insbesondere wird der Klebstoff geschmolzen und in einem flüssigen Zustand auf die Grenzfläche aufgetragen.
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Die Elektrodenschicht und die Separatorschicht werden anschließend übereinander gestapelt angeordnet, wobei die aneinander anliegenden Grenzflächen der Separatorschicht und der Elektrodenschicht unter Ausbildung einer ionenleitfähigen Klebeverbindung (Adhäsionsverbindung) stoffschlüssig miteinander gefügt werden. Der flüssige Klebstoff wird also ausgehärtet, wodurch die Separatorschicht und die Elektrodenschicht stoffschlüssig mechanisch und elektrisch verbunden werden.
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Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle realisiert. Insbesondere ermöglicht das Verfahren ein einfaches und zuverlässiges Herstellen von Feststoff-Halb-, Sandwich- und Monozellen, wobei durch den Einsatz des schmelzflüssigen und ionenleitfähigen Klebstoffs eine besonders vorteilhafte Produktkonstitution und Produktstrategie zur Herstellung von reinen Feststoffzellen gegeben ist.
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Der Klebstoff soll erfindungsgemäß lediglich eine Haftfestigkeit während der Assemblierung gewährleisten (Stapeln von Monozellen). Im späteren Batteriebetrieb ist ein erneutes Aufschmelzen des Klebstoffs unkritisch, da die Zelllagen bei einem Ladevorgang, bei welchem die Batteriezelle mit elektrischer Energie aufgeladen wird und sich dabei erwärmt, aufgrund einer Ausdehnung (Zellatmung, Breathing) der Zelllagen im Zellgehäuse nicht gegeneinander verrutschen können. Der schmelzflüssige Klebstoff dient somit im Wesentlichen lediglich dazu die Produktion der Batteriezelle effizienter zu gestalten.
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Bevorzugterweise werden mit dem Verfahren zunächst Halbzellen und Monozellen hergestellt, und anschließend ein Monozellenstapel als Zellstapel der Feststoffzelle aus den Monozellen durch direkte Stapelung erzeugt. Dadurch ist eine Verbesserung und Steigerung der Effizienz in einer Zellbaulinie für Feststoffzellen ermöglicht.
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In einer denkbaren Ausführungsform wird insbesondere die Grenzfläche zwischen einer Kathodenschicht und der Separatorschicht mittels des schmelzflüssigen und ionenleitfähigen Klebstoffes gefügt. Die Anoden-Sandwich-Zelle kann hierbei auch beispielsweise durch eine Verbundfolie aus Separator/Anode/Separator ausgebildet sein.
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Unter einem „Stoffschluss“ oder einer „stoffschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die miteinander verbundenen Teile an Ihren Kontaktflächen durch stoffliche Vereinigung oder Vernetzung (beispielsweise aufgrund von atomaren oder molekularen Bindungskräften) gegebenenfalls unter Wirkung eines Zusatzstoffs zusammengehalten werden.
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Sowohl die Elektrodenschicht als auch die Separatorschicht weisen fertigungsbedingt zumindest eine gewisse Oberflächenrauhigkeit auf. Bei einer Feststoffzelle ist es für einen guten Ladungstransport jedoch notwendig, dass der Kontakt zwischen den Zellschichten, also insbesondere zwischen der Elektrodenschicht und der Separatorschicht, möglichst innig ist. Aufgrund der Rauigkeit der Oberflächen, kann jedoch häufig keine vollständig flächige Kontaktierung der beiden Zellschichten realisiert werden. Neben der besseren Produktionsgestaltung führt der Auftrag des ionenleitfähigen Klebstoffes vorteilhafterweise auch dazu, dass der Grenzflächenwiderstand zwischen dem Separator und der Anode/Kathode reduziert wird. Des Weiteren ermöglich der Klebstoff die Kompensation von Unebenheiten in der Grenzschicht welches wiederum zu einer verbesserten Homogenität führt, und somit zu einer Steigerung der elektrochemischen Performance der fertigen Feststoffzelle. Die Klebstoffschicht ist hierbei möglichst dünn ausgeführt, damit die volumetrische Kapazität der Batteriezelle nicht nachteilig reduziert wird. Beispielsweise weist die aufgetragene Klebstoffschicht eine Schichtdicke zwischen 0,1 µm (Mikrometer) und 10 µm auf.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Klebstoff Ethylencarbonat (EC) auf. Mit anderen Worten wird ein Klebstoff verwendet, welcher EC aufweist, und trotzdem in der Lage ist Ionen zu leiten und die notwendigen Komponenten (Elektrodenschicht/Separatorschicht) zu fügen. EC weist einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt auf, so dass eine besonders einfache Auftragung ermöglicht ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung wird EC als schmelzflüssiger Klebstoff verwendet. Mit anderen Worten ist der Klebstoff im Wesentlichen durch EC gebildet. Der Anteil von EC im Klebstoff ist größer als 50 Gew-% (Gewichtsprozent), insbesondere größer als 75 Gew-%, beispielsweise größer als 90 Gew-%. EC weist einen Schmelzpunkt von 37 °C auf, und ist somit besonders geeignet für das vorstehend beschriebene Verfahren.
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Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die erfindungsgemäße Zellkomponente übertragbar und umgekehrt. Die erfindungsgemäße Zellkomponente ist für die Herstellung einer Feststoffzelle vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Die Zellkomponente weist mindestens eine Elektrodenschicht und mindestens eine Separatorschicht auf, wobei die Elektrodenschicht und die Separatorschicht übereinander gestapelt angeordnet sind, und wobei die Elektrodenschicht und die Separatorschicht an den einander zugewandten Grenzflächen mittels einer schmelzflüssigen und ionenleitfähigen Klebeverbindung stoffschlüssig miteinander gefügt sind. Die Zellkomponente ist hierbei insbesondere eine Einheits- oder Halbzelle der Feststoffzelle. Durch die erfindungsgemäße Klebeverbindung ist eine besonders geeignete Zellkomponente realisiert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Zellkomponente insbesondere als ein Monozellenstapel ausgeführt, und weist eine Anzahl von alternierend als Kathode und Anode ausgeführten Elektrodenschichten auf, welche unter Zwischenlage jeweils einer Separatorschicht voneinander getrennt angeordnet sind, wobei die Elektrodenschichten und die Separatorschichten jeweils mittels einer schmelzflüssig ionenleitfähigen Klebeverbindung stoffschlüssig miteinander gefügt sind.
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Die erfindungsgemäße Feststoffzelle weist eine vorstehend beschriebene Zellkomponente auf. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit der Zellkomponente sinngemäß auch für die Feststoffzelle und umgekehrt.
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Die erfindungsgemäße Festkörperbatterie ist für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Die Festkörperbatterie ist beispielsweise als eine Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, ausgeführt.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
- 1 eine Anoden-Halbzelle,
- 2 eine Anoden-Sandwichzelle,
- 3 eine Kathoden-Halbzelle,
- 4 eine Kathoden-Sandwichzelle,
- 5 eine Monozelle in einer ersten Ausführungsform,
- 6 eine Monozelle in einer zweiten Ausführungsform, und
- 7 unterschiedliche Ausführungen für einen Monozellenstapel.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Nachfolgend ist anhand der 1 bis 7 ein erfindungsgemäßes Zelldesign für Feststoffzellen erläutert. Erfindungsgemäß wird die Feststoffzelle hierbei anhand vorgefertigter oder vorkonfektionierter Zellkomponenten 2, 4, 6, 8, 10, 11 zusammengesetzt. Die Zellkomponenten 2, 4, 6, 8, 10, 11 sind hierbei mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar. Die Zellkomponenten 2, 4, 6, 8, 10, 11 sind Zellschichtsysteme mit einer Anzahl von Zellschichten oder Zelllagen.
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Die 1 zeigt hierbei eine als Anoden-Halbzelle ausgeführte Zellkomponente 2.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform weist die Anoden-Halbzelle 2 eine Elektrodenschicht 12, insbesondere eine Anodenschicht, und eine damit gefügte Separatorschicht 14 auf. Die Anodenschicht 12 weist einen folienartigen Stromableiter 16 auf, welcher beidseitig mit einem Aktivmaterial 18, insbesondere einem Anodenmaterial, beschichtet ist. Die der Separatorschicht 14 zugewandte Grenzfläche 20 ist hierbei stoffschlüssig mit der Separatorschicht 14 über eine nicht näher bezeichnete Klebeverbindung gefügt und kontaktiert. Hierzu wird bei der Herstellung der Anoden-Halbzelle 2 ein schmelzflüssiger und ionenleitfähiger Klebstoff mit Ethylencarbonat auf die Grenzfläche 20 aufgetragen und anschließend mit der Separatorschicht 14 verklebt.
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In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist die Zellkomponente 4 als eine Anoden-Sandwichzelle ausgeführt. Die Anoden-Sandwichzelle 4 weist hierbei zwei Separatorschichten 14 auf, zwischen welchen die Anodenschicht 12 sandwichartig angeordnet ist. Die Anodenschicht 12 weist hierbei zwei stirn- oder planseitige Grenzflächen 20 im Bereich der Aktivmaterialbeschichtung 18 auf, welche mit den jeweils zugeordneten Separatorschichten 14 durch den schmelzflüssigen Klebstoff gefügt sind.
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In der 3 ist eine als Kathoden-Halbzelle ausgeführte Zellkomponente 6 gezeigt, welche korrespondierend zu der Anoden-Halbzelle 2 ausgeführt ist. Die Kathoden-Halbzelle 6 weist hierbei anstelle der Anodenschicht 12 eine als Kathodenschicht ausgeführte Elektrodenschicht 22 auf. Die Kathodenschicht 22 weist einen beidseitig mit einem Aktiv- oder Kathodenmaterial 24 beschichteten Stromableiter 26 auf. Die Kathodenschicht 22 beziehungsweise die der Separatorschicht 14 zugewandte Oberfläche des Kathodenmaterials 24 ist an ihrer Grenzflächen 20 mittels einer schmelzflüssigen und ionenleitfähigen Klebeverbindung stoffschlüssig mit der Separatorschicht 14 gefügt und kontaktiert.
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Die 4 zeigt eine als Kathoden-Sandwichzelle ausgeführte Zellkomponente 8, welche korrespondierend zu der Anoden-Sandwichzelle 4 ausgestaltet ist.
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Die Halbzellen 2 und 6 bilden die kleinste Baugruppe oder Baueinheit bei der Herstellung der Feststoffzelle, wobei die Sandwichzellen 4 und 8 die nächst größere Baueinheit sind.
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Die Halbzellen 2, 6 sind zu einer Zellkomponente 10, nachfolgend auch als Monozelle bezeichnet, zusammensetzbar. Das Zusammensetzen der Halbzellen 2, 6 zu der Monozelle 6 erfolgt vorzugsweise unter Verwendung des ionenleitfähigen und schmelzflüssigen Klebstoffs. Mit anderen Worten werden die Elektrodenschichten 12, 22 der einen Halbzelle 2, 6 an der Grenzfläche 20 mit der Separatorschicht 14 der jeweils anderen Halbzelle 6, 2 stoffschlüssig gefügt und kontaktiert. Die 5 zeigt hierbei eine Anode/Separator/Kathode/Separator-Monozelle 6, und die 6 zeigt eine Separator/Anode/Separator/Kathode-Monozelle 6.
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Vorzugsweise wird der Zellstapel einer Feststoffzelle oder -batterie durch eine Zellkomponente 11 in Form eines Monozellenstapels gebildet, bei welchem die Monozellen 10 direkt alternierend aufeinandergestapelt sind. Der Monozellenstapel 11 weist hierbei mindestens zwei Monozellen 10 auf. Die Monozellen 10 sind hierbei unter Verwendung des ionenleitfähigen und schmelzflüssigen Klebstoffs an den jeweils zugewandten Grenzflächen 20 gefügt und kontaktiert.
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Die 7 zeigt vier unterschiedliche Monozellenstapel 11, welche sich hinsichtlich einer Energieoptimierung Eopt unterscheiden. Auf der linken Seite der 7 sind Monozellenstapel 11 mit niedriger Energieoptimierung Eopt gezeigt, wobei auf der rechten Seite der 7 Monozellenstapel 11 mit hoher Energieoptimierung Eopt gezeigt sind. Die Monozellenstapel 11 sind lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
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Der ausgehend von der linken Seite der 7 erste Monozellenstapel 11 weist drei übereinander gestapelte und miteinander stoffschlüssig gefügte Monozellen 10 auf. Mit zunehmender Energieoptimierung Eopt entfällt quasi jeweils eine Zellschicht 12, 14, 22. Die Kathodenschichten 22 liefern hierbei die notwendige Ionen für den Ionentransport im Betrieb der Batteriezelle. Da jede Kathodenschicht 22 doppelseitig beschichtet ist, würde die unterste oder stirnseitige Kathodenschicht 22, welche nicht zwischen zwei Anodenschichten 12 eingefasst ist, effektiv nicht genutzt, so dass diese zur Steigerung der Energieoptimierung Eopt entfallen kann. Vorzugsweise weist der Monozellenstapel 11 daher stirnseitig jeweils eine Anodenschicht 12 auf. Dadurch wird die Anzahl der Ionen reduziert, wodurch in der Folge auch die Gefahr eines Platings verringert wird.
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Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
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Denkbar sind beispielsweise auch Zellkomponenten aus Kombinationen von Halbzellen 2, 6 mit Sandwichzellen 4, 8, welche als Baueinheit zur direkten Stapelung für den Monozellenstapel 11 verwendet werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Zellkomponente, Anoden-Halbzelle
- 4
- Zellkomponente, Anoden-Sandwichzelle
- 6
- Zellkomponente, Kathoden-Halbzelle
- 8
- Zellkomponente, Kathoden-Sandwichzelle
- 10
- Zellkomponente, Monozelle
- 11
- Zellkomponente, Monozellenstapel
- 12
- Elektrodenschicht, Anodenschicht
- 14
- Separatorschicht
- 16
- Stromableiter
- 18
- Aktivmaterial, Anodenmaterial
- 20
- Grenzfläche
- 22
- Elektrodenschicht, Kathodenschicht
- 24
- Aktivmaterial, Kathodenmaterial
- 26
- Stromableiter
- Eopt
- Energieoptimierung
