DE112013007033T5 - Plasmabeschichtung zum Korrosionsschutz für Leichtmetallkomponenten bei der Batterieherstellung - Google Patents

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Abstract

Es ist ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Lithiumionenzelle offenbart, die Elemente der elektrochemischen Lithiumionenzelle umfasst, die in einem Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungs-Einzelzellenbehälter enthalten ist. Außenflächen des Behälters werden zur Beständigkeit gegenüber wasserbasierter Korrosion beschichtet. Gerollte oder gefaltete Schichten aus Anoden-, Kathoden- und Separatorelementen der Lithiumionenzelle werden in dem Aluminium- oder Magnesiumlegierungsbehälter platziert. Und, wenn die Elemente der Lithiumionenzelle in dem Behälter platziert sind, sowie während eines oder mehrerer folgender Schritte eines Herstellzusammenbauprozesses der Lithiumionenzelle wird ein Plasmastrom unter atmosphärischem Druck, der anfänglich Hexamethyldisiloxan umfasst, auf Außenflächen des Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsbehälters aufgebracht, um eine Silikonpolymerbeschichtung an den Flächen zu bilden, die dem Behälter vor wasserbasierter Korrosion schützt. Das Verfahren ist bei der Ausbildung von Batterien für Kraftfahrzeuge, die Salzwasserumgebungen ausgesetzt sind, nützlich.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft die Beschichtung prismatischer Aluminium- oder Magnesiumbehälter für Materialien für Lithiumionenbatteriezellen, um das Leichtmetall vor Salzwasserkorrosion zu schützen und eine elektrische Isolierung zwischen sich berührenden Behältern bereitzustellen, wenn sie im Betrieb feucht werden. Insbesondere sind ein Beschichtungsmaterial und ein Prozess zur atmosphärischen Plasmabeschichtung vorgesehen, die verwendet werden können, die Aluminium- oder Magnesiumbehälter in einer Umgebungsatmosphäre und bei einer relativ geringen Temperatur zu beschichten, nachdem sie mit ihrer wärmesensitiven Elektrode sowie Elektrolytbestandteilen befüllt worden sind. Die Ausführung dieser Erfindung ist insbesondere für Baugruppen von Lithiumionenbatterien nützlich, die an Kraftfahrzeugen oder anderen Anwendungen verwendet werden, bei denen die Leichtmetallbatteriebehälter wasserhaltigen korrosiven Salzen oder dergleichen ausgesetzt sein können.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Baugruppen von Lithiumionenbatteriezellen finden zunehmend Anwendung bei der Bereitstellung von Antriebsleistung für Kraftfahrzeuge. Jede Zelle der Batterie ist in der Lage, ein elektrisches Potential von etwa drei bis vier Volt und einen elektrischen Gleichstrom basierend auf der Zusammenfassung und Masse der Elektrodenmaterialien in der Zelle bereitzustellen. Die Zelle kann über viele Zyklen entladen und geladen werden. Eine Batterie wird für eine Anwendung durch Kombination einer geeigneten Anzahl einzelner Zellen in einer Kombination elektrisch paralleler und serieller Verbindungen zusammengebaut, um Spannungs- und Stromanforderungen für einen spezifizierten Elektromotor zu erfüllen. Bei einer Lithiumionenbatterieanwendung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug kann die zusammengebaute Batterie beispielsweise bis zu dreihundert einzelne gepackte Zellen umfassen, die elektrisch verbunden sind, um vierzig bis vierhundert Volt und eine ausreichende elektrische Leistung an einen elektrischen Traktionsmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs zu liefern. Der von der Batterie erzeugte Gleichstrom kann für einen effizienten Motorbetrieb in einen Wechselstrom umgewandelt werden.
  • Die Batterien können als die ausschließliche Antriebsleistungsquelle für elektromotorbetriebene elektrische Fahrzeuge oder als eine zusätzliche Leistungsquelle bei verschiedenen Typen von Hybridfahrzeugen verwendet werden, die durch eine Kombination eines oder mehrerer Elektromotoren sowie einer kohlenwasserstoffbetriebenen Kraftmaschine angetrieben sind. In einem Bestreben, den Leistungsverbrauch aller Typen zu reduzieren, besteht ein fortwährender Bedarf, die Masse aller Komponenten eines Fahrzeugs, einschließlich der Masse der Lithiumionenbatterie, zu reduzieren.
  • Lithiumionenbatterien zum Antrieb von Kraftfahrzeugen werden typischerweise unter Verwendung von Dosen aus einzelnen Zellen zusammengebaut. Dies bedeutet, jede Zelle besitzt ihre eigene Dose, die die Materialelemente einer Lithiumionenzelle mit elektrisch leitenden Elektrodenlaschen (Anschlüssen) umschließt, die sich von jedem Zellenbehälter zur Verbindung mit den Elektrodenlaschen einer anderen Zelle oder von anderen Zellen erstrecken. Eine Anzahl von Zellendosen, beispielsweise zwölf oder vierundzwanzig Zellendosen, werden oftmals gruppiert und als ein "Modul" miteinander verschaltet. Eine Anzahl von Modulen oder dergleichen werden in "Packungen" mit einer eine Sollspannung und einen Sollstrom erzeugenden Fähigkeit zusammengebaut. Die Formen der Dosen können oftmals prismatisch mit sechs rechtwinkligen Seiten und Basen zum Zusammenbau und zur Abstützung der Module sein. Die Dosen fügen der zusammengebauten Batterie und dem Fahrzeug, das die Batterien aufnimmt, Gewicht hinzu.
  • Das Material der Dosen muss eine Festigkeit für den Zusammenbau und den Einschluss der Zellenkomponenten bereitstellen, und die Dosen müssen eine Kühlung der Batteriezellen ermöglichen, da die elektrochemischen Zellen erhebliche Wärme in ihrem Gebrauch erzeugen. Ferner ist bei Kraftfahrzeuganwendungen die Lithiumionenbatteriebaugruppe oftmals tief in dem Fahrzeugkörperaufbau angeordnet, wo sie externen korrosiven Materialien von der Straßenoberfläche ausgesetzt sein kann. Vorteilhafterweise sind die Dosen aus Gründen der Festigkeit, Wärmeübertragung sowie Beständigkeit gegenüber Salzwasser aus Stahl hergestellt worden. Jedoch ist Stahl relativ schwer. Es besteht ein Bedarf, leichtere Metalle zur Verwendung bei dem Zusammenbau von Lithiumionenbatteriezellen, die für Kraftfahrzeuganwendungen bestimmt sind, anzupassen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß den Ausführungsformen dieser Erfindung wird ein geeignetes Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsmaterial in eine oder mehrere geeignete dünnwandige Behälterform(en) zum Einsetzen der Elemente einer Lithiumionenzelle geformt. Wie angemerkt ist, sind die Formen der Behälter oftmals prismatisch und sie werden oftmals als Dosen bezeichnet. Die Dosen werden typischerweise mit einer entfernten (oder entfernbaren) Seite (oder Deckel) geformt, so dass vorgeformte Elektrodenmaterialien und Separatormaterialien in einer Dose mit offener Seite platziert werden können. Typischerweise betrifft eine Mehrschritt-Vorgehensweise die Anordnung der Elektrodenmaterialien, Separatoren und des Elektrolyts in der Dose, das Schweißen der Elektrodenlaschen an Anschlüsse an der Dose zur Verbindung mit anderen Dosen und dergleichen, wie nachfolgend in dieser Beschreibung detaillierter beschrieben ist. Jedoch wird gemäß dieser Erfindung eine silikonpolymerhaltige Beschichtung auf Außenflächen der Dose (und optional auf Innenflächen) aufgetragen, um das ein geringes Gewicht aufweisendes Aluminium oder Magnesium vor Salzwasser oder anderen korrosiven Umweltmaterialien zu schützen.
  • Der Beschichtungsprozess verwendet Hexamethyldisiloxan (HMDSO) als das Ausgangsmaterial, und dies wird auf Flächen der Leichtmetalldose durch einen atmosphärischen Plasmaprozess bei geringer Temperatur ausgeführt. Das flüssige HMDSO wird an eine Plasmadüse (kommerziell erhältlich) geliefert, wo es in einen Luftplasmastrom verdampft und direkt gegen Flächen der Aluminium- oder Magnesiumdose mit ihren Inhalten des Lithiumionenzellenmaterials gerichtet wird. Bevorzugt wird das Material durch die Plasmadüse auf alle Außenflächen der Dose geliefert, um eine sich gleich erstreckende Beschichtung aus polymerisiertem Hexamethyldisiloxan, typischerweise einem Silikonpolymer, zu bilden. Eine Beschichtungsdicke von etwa 0,1 bis ungefähr ein bis ungefähr drei Mikrometer ist allgemein geeignet, um das Leichtmetalldosenmaterial vor korrosiven Elementen, die bei dem Fahrzeugbetrieb auftreten, zu schützen. Die Beschichtung ist hydrophob, um die Zellendosenflächen vor Umgebungswasser zu schützen, und sieht auch eine elektrische Isolierungsschicht an sich berührenden Zellendosenflächen vor, um diese elektrisch zu isolieren, insbesondere in der Anwesenheit von Wasser.
  • Ein Vorteil des gewählten Beschichtungsmaterials und des atmosphärischen Plasmabeschichtungsprozesses besteht darin, dass die Schutzbeschichtung (beispielsweise) per Roboter auf die Aluminium- oder Magnesiumdosenfläche zu einem von mehreren verschiedenen Schritten oder Orten in einer Montagelinie aufgetragen werden kann, bei denen Lithiumionenzellenelemente in der Dose platziert werden oder Elektrodenverbindungen mit Anschlüssen an der Dose hergestellt werden oder der Elektrolyt in die Dose eingeführt wird oder beim Schließen der Dose, Zellenaktivierung, Zellenabdichtung, Zellendosentestung oder anderer Verarbeitungsvorgänge der Lithiumionenzellendose, die ausgeführt werden. Eine haltbare hydrophobe Polymerbeschichtung vom Silikontyp kann auf Flächen der Leichtmetalldose aufgetragen werden, wenn die Zelle hergestellt und zusammengebaut wird, und die Beschichtung kann ohne Schaden an den wesentlichen Bestandteilen innerhalb des Behälters, auf den diese aufgetragen wird, aufgetragen und geformt werden.
  • Optional können die Innenflächen der Dose beschichtet werden, bevor aktive Elemente der Zelle eingesetzt werden. Und die Außenflächen der Dose können beschichtet werden, bevor die Dose in den in Linie verlaufenden Betriebsablauf geliefert wird, bei dem die Zellenelemente in der Leichtmetalldose eingebaut werden. Jedoch ist es bevorzugt, dass Außenflächen in einem vorbestimmten Schritt bei einer linienartigen Montage und Herstellung der Zellenelemente und ihrer Platzierung in dem Leichtmetallbehälter beschichtet werden, in welchem sie in der Fahrzeugbatterie verwendet werden sollen.
  • Andere Aufgaben und Vorteile der Ausführung dieser Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung eines Beispiels des Beschichtungsprozesses offensichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Figur ist eine schräggestellte Ansicht einer aufrechten Aluminium- oder Magnesiumdose, von der ein Anteil einer Hauptseitenfläche entfernt ist und die Platzierung einer Rolle aus geschichteten Lithiumioneneinzelzellenelementen in dem Behälter zeigt. Nachdem die Dose zumindest teilweise um die Zellenelemente herum geschlossen ist, wird eine Beschichtung aus polymerisiertem Hexamethyldisiloxan auf jede der Außenflächen der Dose beispielsweise unter Verwendung einer computergesteuerten, robotergeführten Düse zur Erzeugung von Plasma bei atmosphärischem Druck des Disiloxans in Luft aufgetragen und eine silikonbasierte Beschichtung auf Flächen des Leichtmetallbehälters der Zellenmaterialien aufgetragen.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Diese Erfindung betrifft die Herstellung von elektrochemischen Lithiumionenzellen für Kraftfahrzeugbatterien, insbesondere für Anwendungen, bei denen die Batterie an dem Fahrzeug angeordnet werden soll, bei dem Zellen (oder Dosen aus einzelnen Zellen) von der Straße spritzendem Salzwasser oder anderen korrosiven Wasserzusammensetzungen ausgesetzt sein kann. Die Elektroden- und Separatorelemente jeder Zelle werden üblicherweise separat geformt, in eine geeignete Zellenanordnung zusammengebaut und in einem vorgeformten, teilweise geöffneten Behälterkörper oder -dose platziert. Die Behälterdosen besitzen oftmals eine prismatische Form mit drei Sätzen gegenüberliegender rechtwinkliger Seiten, so dass viele Dosen aneinander platziert und elektrisch verschaltet werden können, um eine Fahrzeugbatterie zu bilden. Bei vielen Anwendungen werden zwei- bis dreihundert, im Wesentlichen identische Einzelzellen in I- oder T-förmigen Anordnungen zusammengefügt und an einer komplementären Trägerschale oder -platte platziert, die auf einem Bauelement der Fahrzeugkarosserie getragen ist. Und es ist ein Mittel zur Wasserkühlung (oder Wasser-Glykol-Kühlung) der vielen Zellendosen vorgesehen, da sie Wärme erzeugen, wenn sie entladen und geladen werden. Manchmal sind die Kühlleitungen in den Dosen oder als Teil derselben geformt.
  • In ihrer Anordnung an der Fahrzeugkarosserie sind die Komponenten der Batterieelemente und Träger auch Umgebungswasser ausgesetzt, wenn das Fahrzeug an Straßenorten, unter vielen Straßenbedingungen und -klima betrieben wird. Die Behälterkörper sind aus Stahl oder aus einer geeigneten Polymerzusammensetzung (oder Polymer / Metallfolien-Laminat) hergestellt worden, um eine Korrosion aus Umgebungssalzwasser auszuhalten. Jedoch leiten die Polymermaterialien Wärme nur schlecht weg von den arbeitenden Lithiumionenzellen, und Stahl ist relativ schwer. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Leichtmetallbehältermaterialien, wie Aluminium oder Aluminiumlegierungen oder Magnesium oder seine Legierungen zur Verwendung als Dosenmaterial oder Behältermaterial für einzelne Lithiumionenzellen anzupassen. Gemäß der Ausführung dieser Erfindung wird eine Silikonpolymerbeschichtung an Flächen der Leichtmetallzellendose durch Aufbringen von Hexamethyldisiloxan unter Verwendung eines bei geringer Temperatur arbeitenden atmosphärischen Plasmasprühprozesses geformt. Die resultierende Silikonpolymerbeschichtung sieht einen guten Schutz gegenüber wasserbasierte Korrosion der Aluminium- oder Magnesiumdosen vor, die die Batteriebaugruppe ausbilden. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird die Silikonbeschichtung auf Flächen der Aluminium- oder Magnesiumdosen während des in Linie erfolgenden Montage-Herstellprozesses geformt, bei dem Elektrodenstromleiterelemente, Separatorelemente und der Elektrolyt zusammengebaut und in ihre rechtwinkligen prismatischen Behälter einsetzt werden.
  • Die Figur zeigt eine beispielhafte prismatische rechtwinklige Zellendose 10 mit sechs dünnwandigen Seiten, die aus einer geeigneten Aluminium- oder Magnesiumlegierung geformt sind. Wie angemerkt ist, kann die Form der Zellen eine Platzierung derselben an gleichgeformten Zellendosen bei dem Zusammenbau von Zellenmodulen und dergleichen ermöglichen. In dieser Darstellung ist die nach vorn weisende vertikale Hauptseite 12 der Zellendose 10 größtenteils weggebrochen, um eine zusammengebaute Rolle 14 der festen Elemente der Einzelzelle zu zeigen. Die rückwärtige vertikale Hauptseite der Zellendose 10 besitzt dieselbe Größe und Form wie die nach vorn weisende Seite 12, jedoch ist die Rückseite in dieser Ansicht verborgen. Eine vertikale Randseite 16 ist sichtbar, und die gegenüberliegende, gleichgeformte Randseite ist verborgen. Die Bodenfläche der Zellendose 10 ist verborgen, und die obere Seite 18 ist in einer Position gezeigt, die von den Seiten 12, 16 der Zellendose 10 getrennt und erhöht ist. Bei vielen Ausführungsformen der Erfindung wird die Oberseite 18 der Zellendose 10 solange nicht an den Rest des Zellendosenaufbaus gefügt, bis die zusammengebaute Rolle 14 der festen Elemente der Zelle in der oben offenen Dose platziert worden ist.
  • Bei dieser Ausführungsform der Erfindung besteht die zusammengebaute Rolle 14 aus dünnschichtigen Zellenelementen aus einer einzelnen, relativ langen Schicht aus Anodenelementen 20, einer langen Separatorschicht 22, einer einzelnen, relativ langen Schicht aus Kathodenelementen 24 und einer anderen langen Separatorschicht 22. Die Schicht aus Anodenelementen 20 besitzt zumindest eine elektrische Verbinderlasche 26, die entlang ihrer Länge angeordnet ist, zum Schweißen an einen Anschluss 28 an der oberen Seite 18 der Dose 10. Und die Schicht aus Kathodenelementen 24 besitzt zumindest eine Lasche 30, die geeignet entlang ihrer Länge angeordnet ist, zur Verbindung mit einem Anschluss 32 an der oberen Seite 18 der Zellendose 10. Die Oberseite 18 der Zellendose 10 kann auch eine kleine Öffnung 34 zum Einspritzen eines flüssigen Elektrolyts in die zusammengebaute Rolle 14 aus Zellenelementen besitzen, nachdem die obere Seite 18 an die vertikalen Seiten 12, 16 der Zellendose 10 geschweißt (oder anderweitig fixiert) worden ist. die Öffnung 34 in der oberen Seite 18 wird geschlossen, nachdem der Elektrolyt zu den anderen Zellenelementen (Rolle 14) hinzugefügt worden ist. Bei einer oder mehreren Stufen des Einbaus der Elemente der Lithiumionenzelle in der Zellendose 10 wird jede der Außenflächen (einschließlich sichtbarer Flächen 12, 16 und 18) der Zellendose 10 mit einer Schicht (z.B. einer Dicke von bis zu etwa einem Mikrometer oder mehr) aus Silikonpolymer (oder Polymer vom Silikontyp) durch ein atmosphärisches Plasmasprühverfahren unter Verwendung von Hexamethyldisiloxan beschichtet.
  • Plasmasprühverfahren sowie Plasmasprühdüsen sind bekannt und kommerziell erhältlich. Bei den Ausführungsformen dieser Erfindung wird das anfänglich flüssige Hexamethyldisiloxan geeignet (beispielsweise) in einen eingeschränkten Luftstrom in eine Plasmadüse eingeführt und von diesem getragen, in der die Luft in einem Plasmastrom bei atmosphärischem Druck umgewandelt wird. Der Strom von luftbasiertem Plasma-Disiloxan-Material wird durch die Düse progressiv gegen Flächen des Aluminium- oder Magnesiumzellenbehälters gerichtet. Das Disiloxanmaterial wird an den Flächen des Behälters abgeschieden, wo es in eine hydrophobe Schutzschicht aus Silikonmaterial polymerisiert.
  • Derartige Plasmadüsen für diese Anwendung sind kommerziell erhältlich und können an Roboterarmen unter Verwendung einer mehrdirektionalen Computersteuerung getragen und verwendet sein, um die viele Flächen jeder Dose für ein Lithiumionenzellenmodul zu beschichten.
  • Die Plasmadüse besitzt typischerweise ein metallisches rohrförmiges Gehäuse, das einen Strömungspfad mit einer geeigneten Länge zur Aufnahme der Strömung von Arbeitsgas und Hexamethyldisiloxan-Vorläufermaterial und zum Ermöglichen der Bildung des Plasmastroms in einem elektromagnetischen Feld bereitstellt, das in dem Strömungspfad der rohrförmigen Düse hergestellt ist. Das rohrförmige Gehäuse endet in einem konisch verjüngten Auslass, der so geformt ist, den geformten Plasmastrom zu einem beabsichtigten Werkstück zu lenken. Ein elektrisch isolierendes Keramikrohr wird typischerweise an dem Einlass des rohrförmigen Gehäuses eingesetzt, so dass es sich entlang eines Abschnitts des Strömungsdurchgangs erstreckt. Ein Strom eines Arbeitsgases, wie Luft, sowie mitgeführte dispergierte Tröpfchen aus Hexamethyldisiloxan werden in den Einlass der Düse eingeführt. Die Strömung des Luft-Disiloxan-Gemisches kann in seinem Strömungspfad durch die Verwendung eines Verwirbelungsstücks mit Strömungsöffnungen einer turbulenten Verwirbelung unterzogen werden, das ebenfalls nahe dem Einlassende der Düse eingesetzt ist. Eine lineare (stiftartige) Elektrode ist an dem Keramikrohrort entlang der Strömungsachse der Düse an dem stromaufwärtigen Ende des Strömungsrohrs platziert. Während der Plasmaerzeugung wird die Elektrode durch einen Hochfrequenzregenerator mit einer Frequenz von (beispielsweise) etwa 50 bis 60 kHz und auf einem geeigneten Potential weniger Kilovolt betrieben. Das Metallgehäuse der Plasmadüse ist geerdet. Somit kann eine elektrische Entladung zwischen der axialen Stiftelektrode und dem Gehäuse erzeugt werden.
  • Wenn die Generatorspannung angelegt ist, erzeugen die Frequenz der angelegten Spannung sowie die dielektrischen Eigenschaften des Keramikrohres eine Koronaentladung an dem Stromeinlass und der Elektrode. Als eine Folge der Koronaentladung wird eine Lichtbogenentladung von der Elektrodenspitze zu dem Gehäuse gebildet. Diese Lichtbogenentladung wird von der turbulenten Strömung des Luft/Hexamethyldisiloxan-Stroms zu dem Auslass der Düse geführt. Ein reaktives Plasma des Luft- und Disiloxangemisches wird bei einer relativ geringen Temperatur gebildet. Eine Kupferdüse an dem Auslass der Düse ist so geformt, den Plasmastrom in einem geeignet eingeschränkten Pfad gegen die Flächen einer Aluminium- oder Magnesiumdose für die Lithiumionenzellenelemente zu lenken. Und die Plasmadüse kann von einem computergesteuerten Roboter getragen werden, um den Plasmastrom in mehrdirektionalen Pfaden über jede Fläche der Leichtmetalldose zu bewegen, um das Disiloxanmaterial in einer kontinuierlichen dünnen Schicht auf dem Behälter abzuscheiden. Das abgeschiedene plasmaaktivierte Material bildet eine hydrophobe Silikonpolymerschicht auf dem Behälter der Lithiumionenzellen, die eine Beständigkeit gegenüber wasserbasierter Korrosion der Dose bereitstellt. Die Beschichtung muss frei von Stiftlöchern (Pinholes) oder anderen derartigen Defekten sein. Die Beschichtung muss dazu dienen, um zu verhindern, dass Wasser mit der Aluminium- oder Magnesiumfläche in Kontakt tritt, und die Beschichtung muss als ein elektrischer Isolator zwischen den Zellendosen, insbesondere in der Anwesenheit von Wasser, dienen. Allgemein ist es bevorzugt, dass die Beschichtung auf jede Außenfläche des Leichtmetallbehälters (und optional auf die Innenflächen des Behälters) aufgetragen ist.
  • Dieser Beschichtungsprozess wird bevorzugt in einer oder mehreren der Verarbeitungsstufen ausgeführt, bei denen geschichtete Elektroden- und Separatorzellenelemente in der Zellendose platziert und mit dieser verbunden und in der Dose eingeschlossen worden sind. Dieser Plasmabeschichtungsprozess kann ausgeführt werden, um einen thermischen Schaden an den wärmesensitiven Elementen der Lithiumionenzelle zu vermeiden.
  • Die Elektroden-, Separator- und Elektrolytelemente einer spezifizierten Lithiumionenzelle werden typischerweise separat vorbereitet und bei dem Herstellprozess, durch den jede Zelle ausgebildet wird, zusammengebracht. Es ist eine Darstellung einer üblichen Gruppe von Zellenelementen beschrieben.
  • Die negative Elektrode (Anode während der Zellenentladung) wird oftmals durch Abscheiden einer dünnen Schicht aus Graphit, optional gemischt mit leitendem Ruß und einem geeigneten Polymerbinder auf einer dünnen Kupferfolie ausgebildet, die als der Stromkollektor für die negative Elektrode dient. Der Metallstromkollektor kann mit einer oder mehreren Laschen zur Herstellung elektrischer Verbindungen mit einem negativen Anschluss an der Zellendose gebildet werden. Dieses Gemisch aus gebundenem, graphitischem Elektrodenmaterial ist porös, um so eine geeignete Infiltration des nichtwässrigen Elektrolyten mit seinen gelösten Lithiumionen zuzulassen, die als Lithium in den Graphitkohlenstoff während einer Aktivierung oder dem Laden der Zelle eingelagert werden. Während des Entladens der Lithiumionenzelle fließen Lithiumionen von dem Material der negativen Elektrode durch den Elektrolyt und in die positive Elektrode (Kathode während der Zellenentladung). Die negative Elektrode wird anfänglich typischerweise als eine dünnlagige Schicht mit einer Dicke von weniger als einem Millimeter (z.B. einige wenige hundert Mikrometer) oder so geformt. Die ursprüngliche Lage aus Elektrodenmaterial kann aus einer Größe aus Gründen der Herstelleffizienz geformt werden. Kleinere Abschnitte können für spezifische Elektrodenauslegungen von der anfänglichen Lage für eine geschichtete Baugruppe des Elektrodenmaterials mit anderen Elementen der Zelle geschnitten werden. Eine solche Schicht aus negativer Elektrode (oder Anodenmaterial) ist in der Figur mit 20 gezeigt.
  • Die positive Elektrode ist ebenfalls eine dünne Schicht aus poröser partikulärer Metalloxidzusammensetzung, die geeigneterweise an eine dünne Folie aus Aluminium angebunden ist, die als der Stromkollektor für die positive Elektrode dient. Die Aluminiumfolie kann mit einer oder mehreren Laschen zur Verbindung mit einem positiven Anschluss an der Zellendose geformt werden. Während der Zellenentladung fließen Lithiumionen durch den Elektrolyt und lagern sich in die Metalloxidzusammensetzung ein. Beispiele von Metalloxiden für die positive Elektrode umfassen LiMnO2, LiMn2O4, LiNiO2 und LiCoO2. Die Metalloxidpartikel werden als eine poröse Schicht an der Stromkollektorfolie mit einem geeigneten organischen Polymerbinder gesichert, der die Partikel anbindet, ohne eine Elektrolyteindringung und einen Elektrolytkontakt mit diesen zu hemmen. Wiederum ist das positive Elektrodenmaterials eine dünne Schicht aus Material geformt und in der Zeichnung (24) gezeigt. Und die Form und Abmessungen der Schicht der positiven Elektrode/Stromkollektor werden allgemein so bestimmt, dass sie die Form und die Abmessungen der negativen Elektrodenschicht und einer dazwischen angeordneten Separatorschicht ergänzen.
  • Eine dünne poröse Separatorschicht ist zwischen der negativen Elektrodenschicht und der positiven Elektrodenschicht angeordnet. Zwei derartige Schichten 22 werden bei der in der Figur gezeigten Ausführungsform verwendet. Bei vielen Batteriekonstruktionen ist das Separatormaterial eine poröse Schicht aus Polyethylen oder Polypropylen. Oftmals umfasst das thermoplastische Material dazwischen eingebundene Fasern aus PE oder PP. Die Faserflächen der Schicht können mit Partikeln aus Aluminiumoxid oder dergleichen beschichtet sein, um den elektrischen Widerstand des Separators zu steigern, während die Porosität des Separators zur Infiltration mit flüssigem Elektrolyt und zum Transport von Lithiumionen zwischen den Zellenelektroden beibehalten wird. Die Separatorschicht wird dazu verwendet, einen direkten elektrischen Kontakt zwischen den negativen und positiven Elektrodenschichten zu verhindern, und ist so geformt und bemessen, um dieser Funktion zu dienen.
  • Der Elektrolyt für die Lithiumionenzelle ist oftmals ein Lithiumsalz, das in einem oder mehreren organischen flüssigen Lösemitteln gelöst ist. Beispiele von Salzen umfassen Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF6) sowie Lithiumtrifluorethansulfonimid. Einige Beispiele von Lösemitteln, die verwendet werden können, um das Elektrolytsalz zu lösen, umfassen Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Methylethylcarbonat, Propylencarbonat. Es existieren andere Lithiumsalze, die verwendet werden können, sowie andere Lösemittel. Jedoch wird eine Kombination aus Lithiumsalz und Lösemittel zur Bereitstellung einer geeigneten Mobilität und Transport von Lithiumionen bei dem Betrieb der Zelle gewählt. Der Elektrolyt wird sorgfältig in und zwischen eng beabstandete Schichten der Elektrodenelemente und Separatorschichten verteilt. Der Elektrolyt ist in der Figur nicht gezeigt, da eine Darstellung zwischen eng gerollten Schichten schwierig ist, und da diese bei vielen Ausführungsformen solange nicht mit den anderen Elektrodenmaterialien eingesetzt werden, bis die obere Fläche 18 auf den Rest der Zellendose geschweißt ist.
  • Offensichtlich können elektrochemische Lithiumionenzellen unter Verwendung vieler verschiedener Formen und Größen der negativen und positiven Elektroden geformt werden, um eine spezifische leistungsbereitstellende Funktion zu bedienen. Bei vielen Ausführungsformen kann die Form der Dose oder des Behälters in gewisser Hinsicht modifiziert werden, um die Strömung aus Luft oder einem flüssigen Kühlmittel in Wärmeübertragungskontakt mit einer oder mehreren Flächen der Dose aufzunehmen, jedoch nicht mit den enthaltenen Elementen der Lithiumionenzelle. Das Kühlmittel ist oftmals Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch. Bei anderen Ausführungsformen werden andere strukturelle Kühlmitteldurchgänge geformt und gegen die Flächen einer Packung aus Zellenmodulen zusammengebaut.
  • Gemäß bevorzugter Ausführungsformen dieser Erfindung ist eine große Anzahl einzelner Lithiumionenzellen mit gleichen oder komplementären Formen und Größen geformt, wobei sich jede Zelle in einer geeigneten Dose oder einem geeigneten Behälter befindet. Jede Zellendose oder jeder Zellenbehälter weist zumindest einen Außenanschluss für jede der negativen Elektrode und der positiven Elektrode auf. Wie angemerkt ist, ist es bevorzugt, dass jede Zellendose eine rechtwinklige Form besitzt, um eine vereinfachte Stapelung vieler Dosen in einer gepackten Struktur zu ermöglichen und damit eine spezifizierte Batterie oder einen spezifizierten Abschnitt einer Batterie zu bilden. Geeignete elektrische Verbindungen werden zwischen den Anschlüssen aneinander angrenzender Zellendosen hergestellt, um ein Soll- oder spezifiziertes Spannungs- und Strom-Ausgangspotential für einen zusammengebauten Batterieaufbau bereitzustellen. Gemäß dieser Erfindung werden die Dosen, die die Zellenelemente enthalten, aus Aluminium oder Magnesium (oder ihren Legierungen) geformt, und die Außenflächen werden (zumindest) mit einem Silikonpolymer in einer geeigneten Stufe beschichtet wie (i) nach dem Laden der festen, geschichteten Zellenelemente in die Dose, (ii) dem Schweißen der Elektrodenstromkollektorlaschen an ein Dosenelement oder eine Dosenfläche, (iii) das Einspritzen oder Laden des Elektrolyts in die Dosen und in (auf) die Elemente der in der Dose befindlichen Zelle und/oder (iv) die Ausbildung der Zelle oder das Abdichten der Dose. Bevorzugt wird flüssiges Hexamethyldisiloxan in einem atmosphärischen Luftplasmastrom dispergiert und auf Flächen der Dose in einer oder mehreren dieser Stufen während des Füllens der Zellenelemente in ein vorher geformtes Dosenelement, während des Verschlusses des Dosenbehälters und während des Testens und Akzeptanz der Zelle aufgebracht. Die Beschichtung härtet selbst als eine dünne schützende Silikonpolymerschicht (mit einer Dicke von bis zu etwa einem Mikrometer oder mehr) auf freiliegenden Flächen des Zellenbehälters aus.
  • Es wird weiterer Bezug auf die Figuren der folgenden Beschreibung der Herstellung der Zellenelemente, der Beladung der Aluminium- oder Magnesiumlegierungsdose und der Aufbringung der schützenden Silikonbeschichtung auf Flächen der Dose genommen.
  • Bei dieser beispielhaften Darstellung werden Streifen aus Anodenmaterial (auch bekannt als negatives Elektrodenmaterial 20 in der Figur), Kathodenmaterial (positive Elektrode 24) und Separatormaterial (22) in parallelen Flusspfaden zum Zusammenbau dieser festen Zellenelemente in übereinanderliegende Schichten zum Rollen oder Falten (Rolle 14) und Anordnen in eine geeignet bemessene Leichtmetalldose 10 geliefert, die ebenfalls zu dem Zusammenbauort geführt wird. Die jeweiligen dünnen Streifenelektrodenelemente und dünnen Separatorstreifenelemente besitzen eine allgemein rechtwinklige Form und sind auf ihre jeweiligen Längen und Breiten für ihren Zusammenbau und ihre Anordnung in der Aluminium- oder Magnesiumdose zugeschnitten worden. Eine oder mehrere Dünnmetallelektrodenlaschen sind in oder an der Metallfolienstromkollektorfolie für jede Elektrodenschicht (z.B. 26, 30 in der Figur) geformt oder platziert worden. Ein Vierschichtzusammenbau kann mit einer Baugruppe aus einer Anodenschicht, einer Separatorschicht, einer Kathodenschicht und einer zweiten Separatorschicht geformt werden, wie in der Figur (mit 14) gezeigt ist. Bei anderen Ausführungsformen werden Fünfschichtbaugruppen aus einer Anordnung aus Anode – Separator – Kathode – Separator – Anode oder mit einer Anordnung aus Kathode – Separator – Anode – Separator – Kathode hergestellt. Diese Anordnungen werden gewöhnlich basierend auf den jeweiligen Materialbeladungen und dem elektrochemischen Stromvermögen der jeweiligen Elektrodenmaterialauswahl festgelegt. Diese zusammengebauten Schichten werden dann gerollt oder gefaltet, so dass sie in der beabsichtigten geöffneten Aluminium- oder Magnesiumdose platziert werden können. Typischerweise ist eine Seite oder ein Deckel oder ein Boden der Dosenstruktur entfernt (oder noch nicht in Eingriff), wobei eine geeignete Öffnung zum Einsetzen der Zellenelemente bereitgestellt wird. Bei dem Rollen, Falten oder anderweitigen Formen der Schicht aus Zellenelementen wird die elektrische Verbinderlasche oder die Verbinderlaschen für jede Elektrode sorgfältig zum Einsetzen in oder zur Befestigung an irgendwelchen elektrischen Anschlusselementen an der Dose ausgerichtet. In der Figur werden beide Anschlüsse (28, 32) an derselben Fläche (obere Fläche 18) des Metallbehälters 10 angeordnet.
  • Bei vielen Zusammenbauvorgehensweisen für Lithiumionenzellen werden die trockenen Elemente in ihrem Behälter mit geeigneten elektrischen Verbindungen zwischen den Elektrodenelementen und den positiven Elektroden- und negativen Elektrodenanschlüssen an der Dose platziert. Beispielsweise können die geschweißten Verbindungen an Anschlüssen an einer freistehenden oberen Fläche der Dose ausgebildet sein. Wenn die Elemente in der Dose platziert sind, kann die obere Seite dann an vertikale Seiten der Zellendose geschweißt werden. Diese Dose wird beispielsweise somit geschlossen und geeignet um die umschlossenen Elemente abgedichtet. Wenn es in dem Linienmontageprozess für Lithiumionenzellen geeignet ist, kann die Plasmabeschichtung nun auf jede der Außenflächen der Metalldose aufgetragen werden. Jedoch sind weitere Stufen in dem Zusammenbauprozess und weitere Möglichkeiten der Aufbringung der atmosphärischen Plasmabeschichtung vorhanden.
  • Oftmals ist eine kleine Öffnung (z.B. 34 in der oberen Seite 18) in der Zellendose zum Einführen des nichtwässrigen Elektrolyten in das trockene Volumen innerhalb der Dose um die platzierten Zellenelemente zur Eindringung in die Poren der jeweiligen Elektrodenmaterialien und die Poren der Separatorschicht vorgesehen. Die Elektrolyteinführöffnung wird dann geschlossen. Abhängig von der Gesamtzusammenbaustrategie kann die Beschichtung der Außenflächen des Leichtmetallbehälters nach dem Einführen des flüssigen Elektrolyts ausgeführt werden.
  • Die Zelle kann nun durch Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen ihren Anschlüssen aktiviert werden, um Lithiumionen in das Anodenmaterial (erster Ladezyklus) einzulagern. Die Zelle kann dann durch einen geeigneten Außenwiderstand teilweise entladen werden, um die Aktivierung der Zellenelemente zu fördern. Diese Lade-Entlade-Vorgehensweise kann einige Male wiederholt werden, um eine Zellenmodulaktivierung zu vervollständigen und die aktiven Elemente der Zelle zu "altern". Eine atmosphärische Plasmabeschichtung unter Verwendung von Hexamethyldisiloxan kann während oder nach derartigen Aktivierungsvorgehensweisen ausgeführt werden. Die Zellendose ist nun zum weiteren Zusammenbau mit einer spezifizierten Anzahl anderer, ähnlich vorbereiteter und beschichteter Zellendosen bereit.
  • Es sei auch zu verstehen, dass eine Sammlung beschichteter Lithiumionenzellen schließlich in eine geeignete Schale oder einen anderen Trägeraufbau platziert wird, um eines der Batteriemodule in einer Kraftfahrzeugbatteriepackung zu bilden. Eine derartige Schale oder ein anderer Trägeraufbau kann ebenfalls mit einem Film aus Silikonpolymer durch den vorliegenden Prozess beschichtet sein.
  • Ausführungsformen der Erfindung sind durch Verwendung spezifischer Beispiele dargestellt worden. Jedoch ist es nicht beabsichtigt, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht auf die Darstellungen beschränkt ist.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Vorbereiten von Flächen eines Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsbehälters für eine Beständigkeit gegenüber wasserbasierter Korrosion, wenn der Behälter so verwendet wird, dass er Lithiumionenzellenelemente enthält, wobei der Behälter zur Aufnahme der Anoden-, der Kathoden-, der Separator- und Elektrolytelemente einer einzelnen elektrochemischen Lithiumionenzelle bemessen und geformt ist, die an einem Kraftfahrzeug angeordnet werden soll und Umgebungswasser bei Gebrauch des Fahrzeugs ausgesetzt ist; wobei das Verfahren umfasst, dass: zumindest ein Abschnitt der Elemente der Lithiumionenzelle in dem Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsbehälter als ein Schritt eines Herstellzusammenbauprozesses der Lithiumionenzelle platziert wird; und, wenn die Elemente der Lithiumionenzelle in dem Behälter platziert sind, ein atmosphärischer Plasmastrom, der anfänglich Hexamethyldisiloxan umfasst, auf Außenflächen des Lithiumionenzellenelement-haltigen Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsbehälters aufgebracht wird, um so eine Silikonpolymerbeschichtungsschicht auf den Flächen zu bilden, die gegenüber wasserbasierter Korrosion der Aluminium- oder Magnesiumlegierung der Behälterflächen beständig ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anoden-, Kathoden- und Separatorelemente in der Form dünner Schichten der jeweiligen Elemente vorbereitet und zusammengebaut sind und die zusammengebauten Schichten gefaltet oder gerollt und in dem Behälter als ein Schritt des Herstellzusammenbauprozesses platziert werden; und der Plasmastrom dann aufgebracht wird, um zumindest einige Flächen des Behälters unmittelbar nach Platzierung der zusammengebauten Schichten in dem Behälter zu beschichten.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Anoden- und Kathodenschichten Metalllaschen zur elektrischen Verbindung mit Anschlüssen an einer Fläche des Behälters umfassen und die Metalllaschen an die Anschlüsse als ein Schritt des Herstellzusammenbauprozesses geschweißt werden und der Plasmastrom aufgebracht wird, um zumindest einige Flächen des Behälters unmittelbar nach dem Schweißschritt zu beschichten.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Behälter um die Anoden-, Kathoden- und Separatorelemente als ein Schritt bei dem Herstellzusammenbauprozess geschlossen und abgedichtet wird; und der Plasmastrom aufgebracht wird, um zumindest einige Flächen des Behälters unmittelbar nach dem Abdichten des Behälters zu beschichten.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Behälter um die Anoden-, Kathoden- und Separatorelemente herum geschlossen und abgedichtet wird und der Elektrolyt dem geschlossenen Behälter durch eine vorgeformte Öffnung als Teil des Herstellzusammenbauprozesses hinzugefügt wird; und der Plasmastrom aufgebracht wird, um zumindest einige der Flächen des Behälters nach dem Zusatz des Elektrolyten zu beschichten.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Behälter jedes von dem Anoden-, Kathoden-, Separator- und Elektrolytelement enthält und die Zelle, die die Zellenelemente umfasst, als ein Schritt bei dem Herstellzusammenbauprozess elektrisch aktiviert worden ist; und der Plasmastrom aufgebracht wird, um zumindest einige Flächen des Behälters unmittelbar nach dem Aktivierungsschritt zu beschichten.
  7. Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Lithiumionenzelle, in der Elemente einer einzelnen elektrochemischen Lithiumionenzelle in einem Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsbehälter enthalten sind, wobei der Behälter drei Sätze gegenüberliegender rechtwinkliger Seiten umfasst und zur Aufnahme der Anoden-, Kathoden-, Separator- und Elektrolytelemente der einzelnen elektrochemischen Lithiumionenzelle bemessen ist, wobei der Behälter an einem Kraftfahrzeug angeordnet werden soll und im Gebrauch des Fahrzeugs Umgebungswasser ausgesetzt ist, wobei das Verfahren umfasst: zumindest ein Abschnitt der Elemente der Lithiumionenzelle in dem Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsbehälter mit zumindest einer offenen Seite als Teil eines Herstellzusammenbauprozesses der Lithiumionenzelle platziert wird; und wenn die Elemente der Lithiumionenzelle in dem Behälter platziert sind, ein atmosphärischer Plasmastrom, der anfänglich Hexamethyldisiloxan umfasst, auf Außenflächen des Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsbehälters aufgebracht wird, um eine Silikonpolymerbeschichtung auf den Flächen zu bilden, die beständig gegenüber wasserbasierter Korrosion des Behälters ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, mit einem Vorbereiten und Zusammenbauen der Anoden-, Kathoden- und Separatorelemente in der Form dünner Schichten der jeweiligen Elemente und einem Falten oder Rollen der Schichten und Anordnen derselben in dem Behälter als einem Schritt des Herstellzusammenbauprozesses; und, wenn die Schichten der Elemente der Lithiumionenzelle in dem Behälter platziert sind, der Plasmastrom, der anfänglich Hexamethyldisiloxan umfasst, auf Außenflächen des Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsbehälters aufgetragen wird, bevor der Behälter geschlossen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Anoden- und Kathodenschicht Metalllaschen zur elektrischen Verbindung mit Anschlüssen an einer nicht befestigten Seite des Behälters umfassen, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass: die Metalllaschen einer zusammengebauten Gruppe der Anoden-, Kathoden- und Separatorschichten aus Elementen an die Anschlüsse auf der nicht befestigten Seite des Behälters geschweißt werden; die geschweißte Kombination der zusammengebauten Elemente in dem Behälter platziert wird, wobei die nicht befestigte Seite den Behälter schließt; und, wenn sich die geschweißte Kombination an der Stelle befindet, der Plasmastrom, der anfänglich Hexamethyldisiloxan enthält, auf Außenflächen des Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsbehälters aufgetragen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Anoden-, Kathoden- und Separatorelemente in dem Behälter platziert werden, der Behälter um die Anoden-, Kathoden- und Separatorelemente geschlossen wird und der Plasmastrom anschließend aufgebracht wird, um zumindest einige Außenflächen des Behälters unmittelbar nach dem Verschluss des Behälters zu beschichten.
  11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Behälter um die Anoden-, Kathoden- und Separatorelemente geschlossen wird und der Elektrolyt dem geschlossenen Behälter durch eine vorgeformte Öffnung in einer Seite des Behälters als ein Schritt bei dem Herstellzusammenbauprozess hinzugefügt wird, wobei die Öffnung anschließend geschlossen wird, und der Plasmastrom aufgebracht wird, um zumindest einige Außenflächen des Behälters unmittelbar nach dem Zusatz des Elektrolyten oder des Verschlusses der Öffnung zu beschichten.
  12. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Behälter jedes von dem Anoden-, Kathoden-, Separator- und Elektrolytelement enthält, der Behälter geschlossen wird, und die Zelle, die die Zellenelemente umfasst, elektrisch als ein Schritt bei dem Herstellzusammenbauprozess aktiviert worden ist, und der Plasmastrom aufgebracht wird, um zumindest einige Außenflächen des Behälters nach der Aktivierung der Zellenelemente zu beschichten.
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