DE19650765C2 - Verfahren zur Herstellung einer elektrolytischen Zelle - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrolyti­ schen Zelle mit einer intermediären Komponenten-Verbindungsschicht, welche andere Komponenten zusammenbindet, wie eine Anode und Kathode, und welche die wirksame Ausrichtung und Sicherung der Komponenten während der Bildung einer gewünschten Produktkonfiguration erleichtert, ohne die mecha­ nische Integrität der vollständig hergestellten Zelle zu gefährden.

Elektrolytische Zellen, die aus verschiedenen Komponenten hergestellt werden, wobei eine der Komponenten eine Elektrode ist, sind auf dem Gebiet wohlbe­ kannt. Tatsächlich wird in solchen Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik die Haftung zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt im typischen Fall auf eine von drei Weisen bewirkt. Erstens, wenn ein flüssiger Elektrolyt in einer Zelle verwendet wird, wird die Zelle unter Druck gehalten, um den Verlust an Kontakt zwischen den Komponenten zu vermeiden. Um solchen Druck für eine runde Zelle aufrechtzuerhalten, wird die Zelle so gewickelt, daß eine innere Spannung erzeugt wird. Wenn eine prismatische Zelle hergestellt wird, wird Federbelastung angewandt, um den notwendigen Druck aufrechtzuerhalten. Zweitens, wenn ein Hochtemperaturpolymerelektrolyt verwendet wird (wie PEO oder PVdf = Polyethylenoxyd bzw. Polyvinylidenfluorid) werden die Komponen­ ten miteinander durch Druck und Hitze verschmolzen. Drittens, wenn ein Gel­ elektrolyt verwendet wird, werden die Komponenten in Kontakt miteinander gebracht und dann wird der Elektrolytvorläufer zu einem monolithischen Gelelek­ trolyten polymerisiert, z. B. durch UV-, EB (Elektronenstrahl)- oder Hitzehärtung.

Obwohl dieser Stand der Technik die Befestigung der verschiedenen Kompon­ enten miteinander gestattet, existieren trotzdem mehrere Probleme. Spezifisch haften in vielen Fällen die Komponenten nicht gleichmäßig aneinander, wodurch eine Zelle entsteht, die schlechte Verhaltensfähigkeiten zeigt. Außerdem erfolgt in solchen Zellen des Standes der Technik oft ein mechanischer Abbau, wenn z. B. die Zelle zu einer gewünschten Produktkonfiguration gebogen oder gerollt wird. Zusätzlich kann solches Biegen oder Rollen auch zu einer elektrolytischen Zelle führen, deren Kanten der Elektrode nicht miteinander ausgerichtet sind, was zu schlechter Zellenleistung und zum Kurzschluß führt.

US-A-5,437,692 beschreibt ein Vefahren zur Herstellung einer Lithiumbatterie, welche entweder einen Festpolymerlaminat-Elektrolyten oder einen mikroporösen Polymerlaminat-Separator und eine Lithiumionen-haltige Klebschicht einschließt, wobei die Klebschicht zwischen der geschlossenen Schicht des agglomerierten feinen Kohlenstoffs bzw. der geschlossenen Schicht der agglomierten Fein­ partikeln eines Oxids und dem Festpolymerlaminat-Elektrolyt bzw. dem mikropo­ rösen Polymerlaminat-Separator angeordnet ist. US-A-5,449,576 beschreibt einen Multischicht-Elektrolyten für eine wiederaufladbare elektrolytische Zelle.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrolytischen Zelle bereitzustellen, welches die wirksame Ausrichtung und Sicherung der Komponenten der elektrolytischen Zelle während der Bildung einer gewünschten Produktkonfiguration erleichtern soll, ohne die mechanische Integrität der vollständig hergestellten Zelle zu gefährden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausfüh­ rungsformen gelöst.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrolyti­ schen Zelle, umfassend die Stufen (1) Herstellung der ersten elektrolytischen Komponente mit einem ersten Elektrolyten, (2) Herstellung einer zweiten elek­ trolytischen Komponente mit einem zweiten Elektrolyten, (3) Aufbringen einer intermediären Komponenten-Verbindungsschicht, umfassend einen höchstens teilweise gehärteten/polymerisierten Elektrolyten (der Ausdruck "gehärtet" soll hier auch Polymerisation umfassen) auf einen der ersten und zweiten Elek­ trolyten, der ersten bzw. zweiten elektrolytischen Komponente, (4) Befestigung bzw. Anbringen bzw. Anordnen der anderen elektrischen Komponente an die intermediäre Komponenten-Verbindungsschicht, so daß wenigstens ein Teil der intermediären Komponenten-Verbindungsschicht sandwichartig zwischen dem ersten und zweiten Elektrolyten eingeschlossen ist, (5) Orientieren der elektrolyti­ schen Zelle zu einer gewünschten Konfiguration, während relatives Gleiten zwischen der ersten und zweiten elektrolytischen Komponente möglich ist, so daß die wirksame Ausrichtung zwischen ihnen erleichtert wird, und (6) voll­ ständige Härtung der intermediären Komponenten-Verbindungsschicht, nachdem die gewünschte Konfiguration und Ausrichtung erhalten sind, um wiederum die elektrolytische Zelle nach dieser vollen Härtung in der gewünschten Konfigura­ tion zu halten.

Im vorliegenden Verfahren umfaßt die Stufe der Herstellung der ersten und zweiten elektrolytischen Komponenten weiterhin die Stufe der Herstellung wenigstens einer der ersten und zweiten elektrolytischen Komponenten mit einem Elektrolyten, der höchstens teilweise gehärtet ist.

Zusätzlich umfaßt das Verfahren auch die Stufen, daß man wenigstens einen Teil der intermediären Komponenten-Verbindungsschicht in wenigstens einen Teil des ersten und zweiten Elektrolyten eindringen läßt, vor der Stufe der vollen Härtung der intermediären Komponenten-Verbindungsschicht und das Härten wenigstens eines des ersten und zweiten Elektrolyten. Es ist wichtig hier festzustellen, daß die Härtung des ersten und zweiten Elektrolyten nicht vor der Stufe der voll­ ständigen Härtung der intermediären Komponenten-Verbindungsschicht bewirkt werden muß.

Die intermediäre Komponenten-Verbindungsschicht kann eine Flüssigkeit mit polymerisierbaren Monomeren enthalten. Weil die intermediäre Komponenten- Verbindungsschicht noch nicht im voll gehärteten Zustand ist, erleichtert der flüssige Zustand die gewünschte Gleitfähigkeit zwischen den Komponenten, wenn man versucht, eine gewünschte Produktkonfiguration zu erreichen.

Fig. 1 der Zeichnungen ist ein schematisches Diagramm der vorliegenden elektrolytischen Zelle mit einer intermediären Komponenten-Verbin­ dungsschicht, und

Fig. 2 der Zeichnungen ist ein schematisches Diagramm der vorliegenden elektrolytischen Zelle mit einer intermediären Komponenten-Ver­ bindungsschicht.

Während diese Erfindung in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden kann, wird eine spezifische Ausführungsform in den Zeichnungen gezeigt und im einzelnen beschrieben.

Die elektrolytische Zelle 10 ist in Fig. 1 gezeigt, wie sie eine erste elektrolyti­ sche Komponente 12, eine zweite elektrolytische Komponente 14 und eine intermediäre Komponenten-Verbindungsschicht 16 enthält. Die erste elektrolyti­ sche Komponente 12 umfaßt den Stromsammler 18, das Primermaterial 19, Aktivmaterial 20 und den ersten Elektrolyt 21. Obwohl verschiedene Materialien benutzt werden können, wird der Stromsammler 18 lediglich zu Illustrations­ zwecken als ein solcher beschrieben, der Kupfer enthält, obwohl viele andere herkömmliche Materialien in gleicher Weise verwendet werden könnten, wie dem Durchschnittsfachmann leicht ersichtlich ist. Das gleiche gilt für den besonderen Primer 19 und das aktive Elektrodenmaterial 20. Wie noch ausführlicher erläutert wird, umfaßt der erste Elektrolyt 21 vorzugsweise ein Gel oder einen Hoch­ temperaturpolymerelektrolyten.

Die zweite elektrolytische Komponente 14 umfaßt ebenfalls einen Stromsammler 22, Primer 23, Aktivmaterial 24 und einen zweiten Elektrolyten 25. Wiederum ist jedes der Materialien, die der zweiten elektrolytischen Komponenten zugeordnet sind, herkömmlich verfügbar und die besonderen Arten von Materialien, die zu verwenden sind, sind dem Durchschnittsfachmann leicht ersichtlich. Jedoch für die Zwecke der vorliegenden Erläuterung kann der Stromsammler 22 Aluminium umfassen.

Obwohl der Ausdruck "Komponente" durch die ganze vorliegende Beschreibung benutzt wurde und noch benutzt wird, sei darauf hingewiesen, daß ein solcher Ausdruck (bezüglich Komponente 12 und 14) repräsentativ ist für eine voll­ ständig hergestellte Anode (12) und Kathode (14), von denen jede den vorher identifizierten zugeordneten Primer, das Aktivmaterial und den Elektrolyten enthält. Die intermediäre Komponenten-Verbindungsschicht 16 umfaßt einen Elektrolyten, der von der gleichen Zusammensetzung sein kann wie jeder der ersten und/oder zweiten Elektrolyten 21 bzw. 25, solange alle Elektrolyten, wenn sie miteinander zugeordnet sind, die notwendige ionische Leitfähigkeit zeigen, die erforderlich ist, um das Betriebsverhalten der Zelle 10 zu ermögli­ chen.

Die intermediäre Komponenten-Verbindungsschicht 16 ist in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt, wie sie wenigstens zum Teil zwischen dem ersten und zweiten Elek­ trolyten 21 bzw. 25 sandwichartig eingeschlossen ist. Wie noch ausführlicher unter Bezugnahme auf das Verfahren zur Herstellung der elektrolytischen Zelle 10 erläutert, wird die intermediäre Komponenten-Verbindungsschicht 16 auf den ersten und zweiten Elektrolyten 21 bzw. 25 aufgebracht, die höchstens in einem teilweise gehärteten Zustand sind. Selbst, wenn sie jedoch teilweise gehärtet ist, wird die intermediäre Komponenten-Verbindungsschicht 16 in einer im wesentli­ chen flüssigen Phase nach dem Aufbringen auf und dem sandwichartigen Ein­ schließen zwischen dem ersten und zweiten Elektrolyten 21 bzw. 25 bleiben. Tatsächlich dient die flüssige Phase der intermediären Komponenten-Verbin­ dungsschicht zwei Zwecken: (1) sie erleichtert das Eindringen (siehe Fig. 2) und dieses wiederum die ausgezeichnete sichere Befestigung am ersten und zweiten Elektrolyten, und (2) ermöglicht sie das Auftreten einer wirksamen Gleitfähigkeit relativ zu der ersten und zweiten elektrolytischen Komponenten. Wie noch ausführlicher erläutert wird, ermöglicht eine solche Gleitfähigkeit die richtige Ausrichtung der Ränder der elektrolytischen Komponenten relativ zueinander während (und nach) dem Biegen oder Falten der elektrolytischen Zelle 10 zu einer gewünschten Konfiguration. Wenn einmal die gewünschte Konfiguration hergestellt ist, werden die intermediäre Komponenten-Verbindungsschicht 16 und, falls nötig, der erste und zweite Elektrolyt 21 bzw. 25 einer endgültigen Härtung unterzogen, was die elektrolytische Zelle 10 in der gewünschten Konfi­ guration hält, während auch eine ausgezeichnete Haftung zwischen den ver­ schiedenen Komponenten aufrechterhalten bleibt.

Bezüglich der Herstellung der elektrolytischen Zelle 10 und wie vorher erläutert sei angenommen, daß die erste und zweite elektrolytische Komponente 12 bzw. 14 vorfabrizierte Elektroden (Anode und Kathode) mit gewünschten Strom­ sammlern, Primern, Aktivmaterialien und zugehörigen Elektrolyten aufweisen. Wiederum sind die besonderen verwendeten Materialien und die zugeordneten Aufbringverfahren für die Elemente der ersten und zweiten Elektroden/elek­ trolytischen Komponenten auf die jeweiligen Stromsammler herkömmlich be­ kannt und werden vom Durchschnittsfachmann wohl verstanden. Es ist aber auch in Betracht zu ziehen, daß, obwohl vorfabrizierte Komponenten zur Ver­ wendung in der vorliegenden Beschreibung gezeigt sind, auch nicht vorfabrizierte Komponenten verwendet und in herkömmlicher Weise gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zusammengebaut werden können.

Nachdem die gewünschten Komponenten ausgewählt sind, wird die intermediäre Komponenten-Verbindungsschicht 16, welche eine Flüssigkeit mit polymerisier­ baren Monomeren in einem höchstens teilweise gehärteten Zustand umfassen kann, auf entweder den ersten Elektrolyt 21 oder den zweiten Elektrolyt 25 aufgebracht. Die Elektrolytzusammensetzung der Verbindungsschicht kann die gleiche sein wie die des ersten oder zweiten Elektrolyten 21 bzw. 25.

Obwohl die besondere Zusammensetzung der verschiedenen Elektrolyten und insbesondere der intermediären Komponenten-Verbindungsschicht 16 nicht von großer Bedeutung für die Lehre und das Verständnis der vorliegenden Erfindung ist, wird trotzdem in Betracht gezogen, daß ein Gel oder ein Hoch­ temperaturpolymerelektrolyt verwendet wird. Zum Beispiel wurde ein PC (Propy­ lencarbonat) Gelelektrolyt 16 der folgenden Rezeptur benutzt (obwohl, wie für den Fachmann selbstverständlich ist, die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf diese besondere Rezeptur oder Art von Elektrolyt beschränkt ist):

Nach Anwendung von herkömmlichen Misch- und Fertigungsarbeitsweisen wurde die Gesamtviskosität des PC Gelelektrolyten zu etwa 0,5 Pas ge­ messen. Das so hergestellte PC Gel wurde dann auf den ersten Elektrolyt 21 aufgeschichtet (der z. B. ein SPE (Festpolymerelektrolyt) umfassen kann) und wenigstens teilweise in den ersten Elektrolyten eindringen gelassen (siehe Fig. 2). Nachdem dies erfolgt ist, wurden die zweite Elektrolytkomponente 14 und seinerseits der zweite Elektrolyt 25 über der intermediären Komponenten- Verbindungsschicht 16 angeordnet, um seinerseits wenigstens einen Teil davon sandwichartig zwischen dem ersten und zweiten Elektrolyten einzuschließen. Wie schon angegeben, bleibt, obwohl der erste und zweite Elektrolyt und die intermediäre Komponenten-Verbindungsschicht sich in einem höchstens teilweise gehärteten Zustand befinden können, die intermediäre Komponenten-Verbin­ dungsschicht in einem praktisch flüssigen Zustand bezüglich dem ersten und zweiten Elektrolyten, um ihrerseits die gewünschte Gleitfähigkeit der ersten und zweiten elektrolytischen Komponenten relativ zueinander zu erleichtern.

Nachdem alle Komponenten aufeinander aufgebracht sind (Fig. 2) kann die elektrolytische Zelle 10 zur gewünschten Produktkonfiguration bearbeitet wer­ den. Weil die erste und zweite elektrolytische Komponente relativ zueinander gleiten werden, wird eine schlechte Ausrichtung (wie wenn sich Ränder un­ absichtlich überlappen oder übereinanderhängen) und mechanischer Abbau zwischen den verschiedenen Subkomoponenten, der sonst z. B. während des Faltens, Biegens, Rollens und/oder Wickelns der Zelle erfolgen würde, vermie­ den. Demgemäß, wenn einmal die gewünschte Produktkonfiguration erhalten ist, wird die intermediäre Komponenten-Verbindungsschicht 16, und falls nötig, werden die ersten und zweiten Elektrolyten 21 bzw. 25 einer "vollen" Härtung/­ Polymerisation unterzogen (wie diese Ausdrücke auf diesem Gebiet verstanden werden). Wenn einmal diese volle Härtung erreicht ist, wird die elektrolytische Zelle 10 in der gewünschten Produktkonfiguration aufrechterhalten, ohne das Erfordernis für zusätzliche mechanische Vorrichtungen, wie Gehäuse oder Federn. Da außerdem die Produktkonfiguration vor der Härtung des oder der Elektrolyten erfolgte, werden mechanischer Abbau unter Verlust an Haftung zwischen den verschiedenen Komponenten (was sonst während des Faltens, Biegens und/oder Rollens einer elektrolytischen Zelle erfolgen würde) im wesent­ lichen ausgeschlossen.

Als weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung wird weiter in Betracht gezogen, daß, wenn z. B. ein Stapel von elektrolytischen Zellen einander zugeordnet werden soll (wie in einem Batteriepack), die einzelnen Zellen in ein Gehäuse oder eine Packung vor dem Härten/Polymerisieren des oder der Elektrolyten, wie der intermediären Komponenten-Verbindungsschicht, angeordnet werden können. Demgemäß, weil das Gehäuse oder die Packung eine spezifische innere Geome­ trie haben wird, können die gestapelten Zellen in eine zueinander passende Beziehung mit der inneren Geometrie konfiguriert werden. Nachdem die gestapel­ ten Zellen angeordnet und richtig innerhalb des Gehäuses oder der Packung kon­ figuriert/geformt sind, läßt man den oder die Elektrolyten der gestapelten Zellen härten/polymerisieren, um wiederum die Konfiguration der gestapelten Zellen in Übereinstimmung mit der Innengeometrie des Gehäuses oder der Packung aufrechtzuerhalten.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung einer elektrolytischen Zelle (10), umfassend die Stufen:

• - Herstellen einer ersten elektrolytischen Komponente (12) mit einem ersten Elektrolyten (21),
• - Herstellen einer zweiten elektrolytischen Komponente (14) mit einem zweiten Elektrolyten (25),
• - Aufbringen einer intermediären Komponenten-Verbindungsschicht (16), umfassend einen höchstens teilweise gehärteten Elektrolyten auf einen der ersten und zweiten Elektrolyten (21, 25) der ersten bzw. zweiten elektrolytischen Komponenten (12, 14),
• - Befestigen der anderen der ersten und zweiten elektrolytischen Komponenten (12, 14) an der intermediären Komponenten-Verbin­ dungsschicht (16), so daß wenigstens ein Teil der intermediären Komponenten-Verbindungsschicht (16) zwischen dem ersten und zweiten Elektrolyten (21, 25) sandwichartig eingeschlossen ist,
• - Orientieren der elektrolytischen Zelle (10) zur gewünschten Kon­ figuration, während man das relative Gleiten zwischen der ersten und zweiten elektrolytischen Komponente (12, 14) ermöglicht, so daß die wirksame Ausrichtung zwischen ihnen erleichtert wird, und
• - vollständiges Härten der intermediären Komponenten-Verbin­ dungsschicht (16), nachdem die gewünschte Konfiguration und Ausrichtung erhalten sind, was wiederum die elektrolytische Zelle (10) nach dieser vollen Härtung in der gewünschten Konfiguration hält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Stufen der Herstellung der ersten und zweiten elektrolytischen Komponenten (12, 14) weiter die Stufen des Herstellens von wenigstenes einer der ersten und zweiten elektrolytischen Komponenten (12, 14) mit einem Elektrolyten (21, 25), der höchstens teilweise gehärtet ist, umfassen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, weiter umfassend die Stufen:

• - Eindringenlassen wenigtens eines Teils der intermediären Kom­ ponenten-Verbindungsschicht (16) in wenigstens einen Teil der ersten und zweiten Elektrolyten (21, 25) vor der Stufe der vollen Härtung der intermediären Komponenten-Verbindungsschicht (16), und
• - Härten wenigstens einer der ersten und zweiten Elektrolyten (21, 25).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste elektrolyti­ sche Komponente (12) eine Anode und die zweite elektrolytische Kom­ ponente (14) eine Kathode umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die intermediäre Komponenten-Verbindungsschicht (16) einen Elektrolyten umfaßt, der die gleiche Zusammensetzung wie wenigstens einer der ersten und zweiten Elektrolyten (21, 25) hat.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei es weiter die Stufe der Herstellung der intermediären Komponenten-Verbindungsschicht (16) derart umfaßt, daß sie eine Flüssigkeit mit polymerisierbaren Monomeren enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die intermediäre Komponenten-Verbindungsschicht (16) teilweise gehärtet ist vor der Stufe des Aufbringens der intermediären Komponenten-Verbindungsschicht (16) auf einen der ersten und zweiten Elektrolyten (21, 25).