EP4305684A1

EP4305684A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer elektrode

Info

Publication number: EP4305684A1
Application number: EP22708535.4A
Authority: EP
Inventors: Dongho Jeong
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-03-08
Filing date: 2022-02-23
Publication date: 2024-01-17
Also published as: DE102021105458A1; JP2024509213A; WO2022189144A1; CN116918087A; KR20230132522A; US20240145667A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Batteriezelle, wobei die Elektrode zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aufweist, mit folgenden Schritten: Ein erstes mechanisches Verdichten der Elektrode zu einem ersten verdichteten Zustand der Elektrode unter Verwendung einer ersten Verdichtungs-Anordnung zur Verdichtung der Beschichtung; Versorgen der Elektrode in zumindest einem beschichteten Abschnitt mit thermischer Energie unter Verwendung wenigstens einer Einrichtung mit einer thermischen Energiequelle zur Reduzierung von mechanischen Spannungen in der Elektrode, wobei das Versorgen mit thermischer Energie vor und/oder nach der ersten mechanischen Verdichtung erfolgt.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG EINER ELEKTRODE

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode für eine Batteriezelle, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Zelle.

Elektroden, insbesondere Elektroden mit mechanisch verdichtetem Aktivmaterial, werden beispielsweise in Batteriezellen für Elektrofahrzeuge eingesetzt.

Im Rahmen der Herstellung von Elektroden ist das sogenannte Kalandern bekannt. Dabei werden die Elektroden, die ein elektrisch leitendes Trägersubstrat, meist aus Metall sowie ein darauf aufgebrachtes und im Hinblick der Verwendung der Elekt rode in einem galvanischen Element elektrochemisch relevantes Aktivmaterial auf weisen, während ihrer Herstellung einer hohen mechanischen Belastung ausge setzt, um eine hohe Massendichte, insbesondere im Aktivmaterial, zu erreichen. Die Elektroden werden hierbei zwischen zwei Walzen hindurchgeführt, welche einen mechanischen Druck auf die Elektrode ausüben, so dass diese beim Durchführen eine Verdichtung erfährt und damit die Massendichte der Elektrode erhöht wird.

Eine höhere Massendichte von Elektroden ermöglicht dabei regelmäßig eine höhere Energiedichte einer Batteriezelle, in welcher diese Elektroden zum Einsatz kommen.

Aufgrund des hohen mechanischen Drucks auf die Elektrode beim Verdichtungsvor gang bauen sich oftmals mechanische Spannungen innerhalb der Elektrode auf. Nach einer Komprimierung der Elektrode kann ein Rückfederungseffekt auftreten, bei dem sich die Spannungen innerhalb der Elektrode lösen und sich die Verdich tung der Elektrode wieder zurückbildet. Das kann dazu führen, dass sich die letzte Komprimierung durch die Walzen vollständig zurückbildet und die Elektrode wieder die vorherige Dicke aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstel lung einer Elektrode mit hoher Energiedichte bereitzustellen.

Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche er reicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Batteriezelle, wobei die Elektrode zumindest abschnittsweise eine Be schichtung aufweist, mit folgenden Schritten: ein erstes mechanisches Verdichten der Elektrode zu einem ersten ver dichteten Zustand der Elektrode unter Verwendung einer ersten Verdich tungs-Anordnung zur Verdichtung der Beschichtung;

Versorgen der Elektrode in zumindest einem beschichteten Abschnitt mit thermischer Energie unter Verwendung wenigstens einer Einrichtung mit einer thermischen Energiequelle zur Reduzierung von mechanischen Spannungen in der Elektrode, wobei das Versorgen mit thermischer Energie vor und/oder nach der ersten mechanischen Verdichtung erfolgt.

Durch die erste mechanische Verdichtung der Elektrode werden mechanische Spannungen innerhalb der Elektrode erzeugt. Diese Spannungen oder auch Rest spannungen in der Elektrode bauen sich hauptsächlich in deren Bindemittelstruktur auf. Ein unkontrolliertes Lösen dieser mechanischen Spannungen kann zu einem sogenannten Rückfederungseffekt führen, bei dem sich die Elektrode ausdehnt und im Ergebnis eine größere Dicke aufweist als unmittelbar nach der ersten mechani schen Verdichtung. Daher ist es erforderlich die Spannungen kontrolliert aufzulösen oder nicht entstehen zu lassen. Die Spannungen können bei hohen Temperaturen schneller aufgelöst werden als bei niedrigeren Temperaturen. Bevorzugt weisen die hohen Temperaturen in diesem Zusammenhang Temperaturen ein einem Tempera turbereich von 100°C - 160°C, bevorzugt von 120°C - 150°C auf. Es ist daher von Vorteil, der Elektrode vor und/oder nach der ersten mechanischen Komprimierung thermische Energie zuzuführen. Eine Zuführung von thermischer Energie vor der ersten Komprimierung hat den Vorteil, dass sich während der ersten mechanischen Verdichtung weniger Spannungen innerhalb der Elektrode aufbauen. Eine Zufüh rung von thermischer Energie nach der ersten Komprimierung hat den Vorteil, dass sich während der ersten mechanischen Verdichtung Spannungen innerhalb der Elektrode aufbauen, wobei sich die Elektrode dabei nicht oder in geringerem Maße verglichen zur Ausdehnung ohne die Zuführung von thermischer Energie ausdehnt.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch un- möglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen As pekten der Erfindung kombiniert bzw. als entsprechende Ausführungsformen letzterer verwendet werden können.

Gemäß einiger Ausführungsformen werden selektiv ein oder mehrere Bereiche der Elektrode mit thermischer Energie versorgt, welche zum Zeitpunkt der Versorgung mit thermischer Energie eine geringere Beschichtungsdicke als die zu diesem Zeit punkt maximale Beschichtungsdicke aufweisen. Bereiche mit geringerer Beschich tungsdicke können bei

Gemäß einiger Ausführungsformen wird zusätzlich ein unbeschichteter Abschnitt der Elektrode mit thermischer Energie versorgt.

Aufgrund des hohen mechanischen Drucks auf die jeweilige Elektrode und die damit entstehenden Spannungen innerhalb der Elektrode entstehen Dehnungsunter schiede zwischen beschichteten und unbeschichteten Bereichen. Diese Dehnungs unterschiede verursachen Verformungen der Elektrode. Diese Dehnungsunter schiede können durch die Zuführung von thermischer Energie zu den Bereichen mit verringerter Beschichtungsdicke und/oder den unbeschichteten Bereichen reduziert werden.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt auszuführen.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch un möglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen As pekten der Erfindung kombiniert bzw. als entsprechende Ausführungsformen letzterer verwendet werden können.

Gemäß einiger Ausführungsformen weist die Elektrode zumindest abschnittsweise eine Beschichtung auf, wobei die Vorrichtung aufweist eine erste Verdichtungs-Anordnung für eine erste mechanische Verdichtung der Elektrode, eine Einrichtung mit einer thermischen Energiequelle zur Versorgung der Elektrode mit thermischer Energie, wobei die die Einrichtung vor oder nach der ers ten Verdichtungs-Anordnung angeordnet ist. Die Einrichtung ist also so angeordnet, dass die Versorgung der Elektrode mit thermischer Energie vor oder nach der ers ten mechanischen Verdichtung erfolgen kann. Es ist ebenso denkbar, dass die Vor richtung eine weitere Einrichtung mit einer thermischen Energiequelle aufweist, wel che so angeordnet ist, dass die Elektrode vor und nach der ersten mechanischen Verdichtung mit thermischer Energie versorgbar ist.

Eine Zuführung von thermischer Energie vor der ersten Komprimierung hat den Vor teil, dass sich während der ersten mechanischen Verdichtung weniger Spannungen innerhalb der Elektrode aufbauen. Eine Zuführung von thermischer Energie nach der ersten Komprimierung hat den Vorteil, dass sich während der ersten mechani schen Verdichtung Spannungen innerhalb der Elektrode aufbauen, wobei sich die Elektrode dabei nicht oder in geringerem Maße verglichen zur Ausdehnung ohne die Zuführung von thermischer Energie ausdehnt.

Gemäß einiger Ausführungsformen weist die thermische Energiequelle ein begren zendes Element auf, welches ausgebildet ist, einen vorbestimmten Bereich der Elektrode mit thermischer Energie zu versorgen. Damit wird erreicht, dass nicht der gesamten Elektrode, sondern nur dem vorbestimmten Bereich, beispielsweise nur einem unbeschichteten Bereich der Elektrode, thermische Energie zugeführt wird.

Gemäß einiger Ausführungsformen weist die thermische Energiequelle eine Infrarot- Lampenheizung oder ein Induktionsgerät auf. Bei der Verwendung einer Infrarot- Lampenheizung kann das begrenzende Element beispielsweise eine mechanische Blende aufweisen, welche zwischen der Infrarot- Lampenheizung und dem Bereich angebracht ist, welchem thermische Energie bzw. Wärme zugeführt werden soll. Eine Infrarot-Lampenheizung erwärmt die Umgebungsluft, wodurch ein erwärmter Luftstrom entsteht, welcher dem gewünschten Bereich der Elektrode zugeführt wird. Eine Infrarot-Lampenheizung hat den Vorteil, dass sie unabhängig von dem Material der Elektrode ist, und freistehend, also ohne unmittelbaren Kontakt zur Elektrode, verwendet werden kann. Bei der Verwendung eines Induktionsgerätes wird die thermische Energie der Elekt rode über eine elektromagnetische Wechselwirkung der Elektrode mit der thermi schen Energiequelle zugeführt. Hierbei wird dasselbe Prinzip wie bei einem Indukti onsherd angewendet. Die Zuführung von thermischer Energie mittels Induktion hat den Vorteil, dass hierbei ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.

Gemäß einiger Ausführungsformen weist die Einrichtung wenigstens eine Führungs rolle auf, mit welcher die Elektrode im Betrieb der Vorrichtung beförderbar ist. Die Elektrode kann sich dabei, ausgehend von ihrer Bewegungsrichtung, oberhalb oder unterhalb der Führungsrolle bewegen. Die Führungsrolle ist bevorzugt vor oder nach der Verdichtungs-Anordnung angeordnet und führt die Elektrode der ersten Verdichtungs-Anordnung zu oder übernimmt die Elektrode von der Verdichtungsan ordnung zur weiteren Beförderung.

Gemäß einiger Ausführungsformen ist die wenigstens eine Führungsrolle als Ab wicklungsrolle, an welcher die Elektrode zunächst aufgerollt ist, und während der Zuführung zur ersten Verdichtungs-Anordnung kontinuierlich abgerollt wird. Es ist aber auch denkbar, dass die Führungsrolle als Aufwicklungsrolle ausgeführt ist, auf welcher die Elektrode im Anschluss an die Verdichtung wieder aufgerollt wird. Ebenso kann die Vorrichtung eine Aufwicklungs- und Abwicklungsrolle aufweisen.

Gemäß einiger Ausführungsformen ist die wenigstens eine Führungsrolle mit einer thermischen Wärmequelle thermisch gekoppelt, wodurch die wenigstens eine Füh rungsrolle mit thermischer Energie versorgbar ist. Dadurch versorgt die Führungs rolle bei der Beförderung der Elektrode die Elektrode mit thermischer Energie. Die Versorgung mit thermischer Energie erfolgt über einen mechanischen Kontakt und ist daher auch effektiver als beispielsweise über die Luft.

Gemäß einiger Ausführungsformen weist die wenigstens eine Führungsrolle wenigs tens ein thermisches Isolationselement auf. Bevorzugt weist das wenigstens eine thermische Isolationselement Vertiefungen in der Führungsrolle auf, welche die Füh rungsrolle von der Elektrode bei der Beförderung thermisch isoliert. Dabei wurde der Elektrode bereits vor der Beförderung durch die Führungsrolle thermische Energie zugeführt, und es soll verhindert werden, dass die Elektrode durch einen mechani schen Kontakt mit der Führungsrolle thermische Energie an die Führungsrolle über trägt.

Gemäß einiger Ausführungsformen weist die Einrichtung mehrere Führungsrollen auf, wobei wenigstens zwei der mehreren Führungsrollen in Bezug auf die Bewe gungsrichtung der Elektrode auf unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind.

Dadurch wird die Wegstrecke und die dafür benötigte Zeitdauer der Elektrode von der ersten Verdichtungs-Anordnung zu einer zweiten Verdichtungsanordnung ver längert. Entsprechend wird die Zeitdauer verlängert, in welcher die Elektrode zur Reduzierung von mechanischen Spannungen mit thermischer Energie versorgt wird.

Gemäß einiger Ausführungsformen sind die mehreren Führungsrollen innerhalb der Einrichtung mäanderförmig angeordnet. Damit wird eine möglichst lange Wegstre cke der Elektrode innerhalb der Einrichtung erreicht.

Gemäß einiger Ausführungsformen weist die Vorrichtung eine zweite Verdichtungs-Anordnung auf, für eine zweite mechanische Ver dichtung der Elektrode zu einem zweiten verdichteten Zustand der Elektrode, wobei die Elektrode im zweiten verdichteten Zustand eine höhere Verdich tung als im ersten verdichteten Zustand aufweist, wobei wobei die Einrichtung mit der thermischen Energiequelle nach der ersten Verdichtungs-Anordnung und vor der zweiten Verdichtungs-Anordnung angeordnet ist.

Die Einrichtung mit der thermischen Energiequelle ist in diesem Fall so angeordnet, dass die Versorgung der Elektrode mit thermischer Energie nach der ersten mecha nischen Verdichtung und vor der zweiten mechanischen Verdichtung erfolgen kann.

Es ist auch denkbar, dass eine weitere Einrichtung so angeordnet ist, dass im An schluss an die zweite mechanische Verdichtung der Elektrode nochmals thermische Energie zugeführt wird, um die mechanischen Spannungen, welche durch die zweite mechanische Verdichtung entstanden sind, abzubauen. Eine zweite mechanische Verdichtung hat den Vorteil, einen möglichen Rückfede rungseffekt auszugleichen. Darüber hinaus kann mit einer zweiten mechanischen Verdichtung eine geringere Dicke und damit eine höhere Energiedichte der Elekt rode erreicht werden. Die thermische Energiezufuhr vor und/oder nach der ersten mechanischen Verdichtung hat den Vorteil, dass der Rückfederungseffekt nach der zweiten mechanischen Verdichtung vermieden oder zumindest deutlich verringert wird.

Gemäß einiger Ausführungsformen weist die erste- und/oder zweite Verdichtungs- Anordnung eine Walzen-Anordnung auf. Dabei weist eine Walzen-Anordnung zwei Walzen auf, insbesondere zwei Walzen mit einer zylindrischen Form, deren Haupt achsen im Wesentlichen parallel verlaufen. Die beiden Walzen weisen dabei einen Abstand zueinander auf, wobei die Elektrode durch diesen Abstand befördert wird. Der Abstand entspricht im Wesentlichen der Dicke, auf welche die Elektrode ver dichtet bzw. komprimiert werden soll.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrode, welche nach einem Verfah ren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erhältlich ist.

Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriezelle, welche eine Elektrode ge mäß dem dritten Aspekt aufweist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfin dung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusam menhang mit den Figuren.

Dabei zeigen:

Fig. 1a und Fig. 1b schematisch eine Anordnung mit einem Entspannungsmodul zur Bearbeitung einer Elektrode.

Fig. 2 schematisch Ausgestaltungen des Entspannungsmoduls.

Fig. 3 schematisch eine Elektrode mit Bereichen unterschiedlicher beschichteter Di cke. Fig. 4 schematisch eine Anordnung mit einer zweiten Verdichtungseinheit.

Fig. 5 schematisch eine Elektroden-Dickenänderung basierend auf einer Bearbei tung durch die Anordnung.

Fig. 6a-d schematisch Verfahrensschritte zur Wärmebehandlung mittels einer Füh rungsrolle, wenn eine ungleichmäßige Beschichtung vorliegt.

Fig. 7 schematisch eine Führungsrolle mit Vertiefungen und eine Elektrode.

Fig. 8 schematisch verschiedene Geometrien von Vertiefungen in der Führungs rolle.

In den Figuren werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder ei nander entsprechenden Elemente der Erfindung verwendet.

Figuren 1a und 1b zeigen schematisch eine Verdichtungsvorrichtung 100 zur Bear beitung einer Elektrode 150. Die Verdichtungsvorrichtung 100 weist eine Abwick lungsrolle 130, ein Entspannungsmodul 210, eine erste Verdichtungseinheit 110 und eine Aufwicklungsrolle 140 auf. Die erste Verdichtungseinheit 110 und auch die zweite Verdichtungseinheit 120 (siehe Fig. 4) weisen jeweils ein Walzenpaar (hier nicht gezeigt) auf, wobei die Hauptachsen der Walzen, welche eine zylindrische Form aufweisen, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Walzenpaare sind je weils in einem Abstand zueinander angeordnet, welcher geringer ist als die Dicke der zugeführten Elektrode, und der Dicke entsprechen, welche die Elektrode durch die Verdichtung durch das jeweilige Walzenpaar erhalten soll.

Die Elektrode 150 ist auf einer Abwicklungsrolle 130 angeordnet, von der die Elekt rode 150 entsprechend abgewickelt und dem Entspannungsmodul 210 zugeführt wird. Im Entspannungsmodul 210 wird der Elektrode thermische Energie durch eine dort angeordnete thermische Energiequelle 250 zugeführt. Durch diese thermische Energie soll vermieden werden, dass sich durch die Verdichtung in der Verdich tungseinheit 110 mechanische Spannungen aufbauen. Daran anschließend wird die Elektrode 150 der ersten Verdichtungseinheit 110 zugeführt, in welcher sie kompri miert wird. Im Anschluss an die erste Verdichtungseinheit 110 wird die Elektrode 150 auf einer Aufwicklungsrolle 140 aufgerollt.

Gemäß Fig. 1b ist die Entspannungsmodul 210 im Gegensatz zu Fig. 1a nicht vor der ersten Verdichtungseinheit 110, sondern nach der Verdichtungseinheit 110 und vor der Aufwicklungsrolle 140 angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass sich Verdich tungen, die sich in der Elektrode 150 durch die Verdichtung in der Verdichtungsein heit 110 aufgebaut haben, wieder abgebaut werden. Die weiteren Komponenten sind identisch angeordnet wie in Fig. 1a dargestellt.

Fig. 2 zeigt schematisch drei mögliche Ausgestaltungen des Entspannungsmoduls 210, welche als Entspannungsmodul-eins 210a, Entspannungsmodul-zwei 210b und Entspannungsmodul-drei 210c benannt sind, gezeigt. Die beschriebenen Ent- spannungsmodule 210a, 210b, 210c weisen jeweils zwei oder mehr Führungsrollen 130 auf, durch welche die Elektrode 150 befördert wird. Dabei können die Füh rungsrollen 130 auch als Umlenkrollen ausgestaltet sein, so dass die Elektrode 150 während ihrer Beförderung unter einem bestimmten Winkel von ihrer ursprünglichen Bewegungsrichtung abgelenkt wird. Durch die Beförderung der Elektrode 150 über die zusätzliche Wegstrecke verlängert sich der Zeitraum, welchen die Elektrode 150 für die Wegstrecke innerhalb des Entspannungsmoduls benötigen. In diesem Zeit raum wird der Elektrode 150 thermische Energie durch die thermische Energie quelle 250 zugeführt. Insofern wird durch die Verlängerung der Wegstrecke der Zeit raum verlängert, in welchem der Elektrode 150 thermische Energie zugeführt wird. Wie oben beschrieben wird dadurch, in Abhängigkeit von der örtlichen Anordnung einem Spannungsaufbau innerhalb der Elektrode 150 vorgebeugt, oder eine schon vorhandene Spannung wieder abgebaut. Die thermische Energiequelle 250 ist bei spielsweise eine Infrarot-Lampenheizung oder ein Induktionsgerät. Die thermische Energie weist eine Temperatur zwischen 100°C und 160°C auf. Als vorteilhaft hat sich eine Temperatur zwischen 120°C und 150°C, insbesondere 150°C, erwiesen. Die Temperatur kann entsprechend der Materialzusammensetzung der Elektrode 150 und der verwendeten thermischen Energiequelle optimiert werden.

Gemäß Entspannungsmodul-eins 210a wird die Elektrode 150 mittels zweier Füh rungsrollen 130, die beabstandet angeordnet sind, befördert. Die Führungsrollen 130 sind jeweils von der Bewegungsrichtung versetzt angeordnet, so dass die Elektrode 150 eine Ablenkung von ihrer ursprünglichen Richtung erfährt. Dadurch wird zum ei nen die Wegstrecke der Elektrode 150 verlängert. Zum anderen kann über den Ab lenkungswinkel der beiden Führungsrollen 130 die Winkel gesteuert werden, in wel chen die Elektrode 150 dem Entspannungsmodul-eins 210a zugeführt, und in wel chem Winkel die Elektrode 150 aus dem Entspannungsmodul-eins 210a herausge führt und beispielsweise einer Verdichtungseinheit 110, 120 zugeführt wird.

Gemäß Entspannungsmodul-zwei 210b wird die Elektrode 150 über sieben jeweils beabstandet angeordnete Führungsrollen 130 befördert. Dabei wird die Elektrode 150 im Entspannungsmodul-zwei 210b eingangsseitig von einer Führungsrolle 130 mit einem Winkel, der im Wesentlichen 90 Grad aufweist, abgelenkt. Im Anschluss wird die Elektrode 150 von drei nacheinander folgenden Führungsrollen jeweils um 180 Grad abgelenkt. Dies ist gefolgt von einer weiteren Führungsrolle 130, welche die Elektrode 150 wieder um 90 Grad ablenkt, so dass die Elektrode 150 wieder ihre ursprüngliche Richtung erreicht. Es ist auch denkbar, dass die Wegstrecke durch wei tere 180-Grad-Ablenkungen zusätzlich verlängert wird. Abhängig davon, ob die Elekt rode 150 in ihrer wieder erreichten ursprünglichen Richtung oberhalb oder unterhalb der anschließenden Führungsrollen 130 befördert werden sollen, kann wird die An zahl der 180-Grad Ablenkungen angepasst.

Gemäß Entspannungsmodul-drei 210a wird die Elektrode 150 mittels von 11 jeweils beabstandet angeordnete Führungsrollen 130 befördert. Die Führungsrollen 130 sind auf einer gekrümmten Bahn angeordnet, welche mehrmals ihre Richtung ändert.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Elektrode mit Bereichen unterschiedlicher beschichte ter Dicke. Die Elektrode 150 weist eine Elektroden-Folie 170 auf, welche zwischen einer ersten Elektrodenbeschichtung 160 und einer zweiten Elektrodenbeschichtung 180 angeordnet ist. Die Elektrodenbeschichtungen 160, 180 sind elektrisch leitend. Weiterhin ist die Elektrode in fünf Bereiche eingeteilt, welche jeweils zwischen den gezeigten Bereichsbegrenzungen x1-x6 angeordnet sind. Danach ist Bereich 1 zwi schen den Bereichsbegrenzungen x1 und x2, Bereich 2 zwischen den Bereichsbe grenzungen x2 und x3, Bereich 3 zwischen den Bereichsbegrenzungen x3 und x4, Bereich 4 zwischen den Bereichsbegrenzungen x4 und x5 und Bereich 5 zwischen den Bereichsbegrenzungen x5 und x6 angeordnet. Im Bereich 1 weist die erste Elektrodenbeschichtung 160 und die zweite Elektroden beschichtung 180 über den gesamten Bereich dieselbe konstante Dicke auf.

Im Bereich 2 weist die erste Elektrodenbeschichtung 160 eine konstante Dicke über den gesamten Bereich auf, welche identisch ist mit der Dicke der Beschichtung von Bereich 1. Die zweite Elektrodenbeschichtung 180 weist eine sich verringernde Di cke in Richtung weg von Bereich 1 auf.

Im Bereich 3 weist die erste Elektrodenbeschichtung 160 eine sich verringernde Di cke in Richtungen weg von Bereich 2 auf, und ebenso die zweite Elektrodenbe schichtung 180. Die Dicken und auch die Abnahme der Dicken der ersten Elektro denbeschichtung 160 und der zweiten Elektrodenbeschichtung 180 sind unter schiedlich. Die Dicke der zweiten Elektrodenbeschichtung 180 nimmt bis auf null ab, sodass an der Grenze zum Bereich 4 die Folie auf einer Seite unbeschichtet ist.

Im Bereich 4 ist eine Seite der Folie unbeschichtet, während auf der anderen Seite die zweite Elektrodenbeschichtung 180 über den Bereich hinweg abnimmt bis zu ei nem Wert, der wenigstens nahe bei Null liegt und der an der Grenze zum Bereich 5 liegt.

Im Bereich 5 ist die Folie 170 der Elektrode 150 vollständig unbeschichtet.

In den Bereichen 2 bis 5 der Elektrode 150, in welchen die Folie wenigstens auf ei ner Seite mit geringerer Dicke beschichtet ist oder unbeschichtet ist können bei ei ner Komprimierung Unebenheiten entstehen. Diese können eine reibungslose Be förderung der Elektrode 150 behindern. Daher ist es von Vorteil insbesondere den genannten Bereichen thermische Energie zuzuführen, um Unebenheiten zu vermei den. Der Folie 170 wird entsprechend in einem Folienteilbereich 190, welcher we nigstens auf einer Seite mit geringerer Dicke beschichtet ist, thermische Energie mit der thermischen Energiequelle zugeführt.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Verdichtungsvorrichtung 100 mit einer ersten Verdich tungseinheit 110, einer zweiten Verdichtungseinheit 120, sowie einem Entspannungs modul 210, welches in Bezug auf die Beförderung der Elektrode 150 zwischen der ersten Verdichtungseinheit 110 und der zweiten Verdichtungseinheit 120 angeordnet ist, so dass die Elektrode 150 nach der ersten Verdichtungseinheit 110 und vor der zweiten Verdichtungseinheit 120 das Entspannungsmodul 210 passiert. Das Ent spannungsmodul 210 weist eine thermische Energiequelle 250 auf. Weiterhin weist die Verdichtungsvorrichtung 100 eine Führungsrolle 130 auf, welche die Elektrode 150 der ersten Verdichtungseinheit 110 zuführt. In der ersten Verdichtungseinheit 110 wird die Elektrode auf eine erste Dicke komprimiert. Dadurch entstehen in der Elekt rode 150 mechanische Spannungen. Diese Spannungen werden in dem Entspan nungsmodul 250 durch die Zufuhr von thermischer Energie durch die thermische Energiequelle 250 abgebaut. Im Anschluss wird die Elektrode 150 der zweiten Ver dichtungseinheit 120 zugeführt, in welcher die Elektrode 150 zu einer zweiten Dicke komprimiert wird, welche kleiner als die erste Dicke ist. Durch die vorherige Zufuhr von thermischer Energie wird vermieden, dass es nach der ersten Komprimierung und auch nach der zweiten Komprimierung zu einem unkontrollierten Abbau der me chanischen Spannungen kommt, und die Elektrode 150 sich wieder ausdehnt.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Dickenänderung einer Elektrode 150 basierend auf der Bearbeitung durch die Verdichtungsvorrichtung 100 gemäß Fig. 4. Die Elektrode 150 weist eine Elektroden-Folie 170 auf, welche zwischen einer ersten Elektrodenbe schichtung 160 und einer zweiten Elektrodenbeschichtung 180 angeordnet ist. Durch die erste Verdichtungseinheit 110 wird die Elektrode 150 von der ursprünglichen Di cke d1, mit welcher die Elektrode 150 der ersten Verdichtungseinheit 110 zugeführt wird, auf eine erste Dicke d2 komprimiert. Im Anschluss daran passiert die Elektrode 150 das Entspannungsmodul 210, in welchem der Elektrode 150 thermische Energie durch die thermische Energiequelle 250 zugeführt wird. Dadurch werden Spannun gen innerhalb der Elektrode 150 abgebaut. Allerdings werden möglicherweise die Spannungen nicht vollständig abgebaut und durch den beschriebenen Rückfede rungseffekt nimmt die Dicke der Elektrode von der ersten Dicke d2 zu einer Zwischen dicke d12 zu, welche jedoch geringer als die ursprüngliche Dicke d1 der Elektrode ist. Die Elektrode 150 wird mit der Zwischendicke d12 der zweiten Verdichtungseinheit 120 zugeführt, und auf die zweite Dicke d3 komprimiert. Die Dicke der Elektrode 150 bleibt nun konstant bei der zweiten Dicke d3, welche der Solldicke ds entspricht, auf grund der abgebauten Spannungen im Entspannungsmodul 210.

Figuren 6a-d zeigen schematisch die Verfahrensschritte zur Wärmebehandlung mittels einer Führungsrolle, wenn eine ungleichmäßige Beschichtung vorliegt. In Fig. 6a ist eine Elektrode 150 dargestellt, aufweisend eine Elektroden-Folie, welche nur einseitig mit einer ersten Elektrodenbeschichtung 160 beschichtet ist, und einen unbeschichteten Bereich 165. Während einer Verdichtung, beispielsweise in der ers ten Verdichtungseinheit 110, wird nur der beschichtete Bereich der Elektrode 150 komprimiert und entsprechend entlang der Längsachse der Elektrode 150 gestreckt. Aufgrund einer einseitigen mechanischen Belastung der Elektrode 150 kann eine De formation der Elektrode 150 resultieren. Dies kann zu einer Biegung der Elektrode 150 hin zur unbeschichteten Seite der Elektrode 150 führen, welche zu einer Höhen differenz h im gebogenen Bereich führen kann.

In Fig. 6b ist schematisch eine Elektrode 150 dargestellt, bei weicher ein unbeschich teter Bereich 165 dargestellt ist. Dem unbeschichteten Bereich 165 wird thermische Energie zugeführt, um die Biegung abzuschwächen. Die thermische Energie kann beispielsweise durch Induktion dem unbeschichteten Bereich 165 zugeführt werden.

In Fig. 6c ist eine Elektrode 150 dargestellt, welchem zusätzliche thermische Energie mittels Induktion zugeführt wurde. Der Bereich, welchem die thermische Energie zu geführt wurde, hat sich verformt. Diese Verformung resultiert aus der Ausdehnung des erwärmten Bereichs 165 einerseits, und der Einwirkung einer elektromagneti schen Kraft durch die Induktion andererseits.

In Fig. 6d ist eine Führungsrolle 130 dargestellt, über welche die Elektrode 150 ge führt wird, und währenddessen der Elektrode 150 thermische Energie zugeführt wird. Damit der unbeschichtete Bereich 165 sich aufgrund von Wärmeunterschieden nicht verformt ist es erforderlich, dass dem unbeschichteten Bereich 165 gleichmäßig ther mische Energie zugeführt wird, so dass der unbeschichtete Bereich 165 über seine gesamte Fläche eine konstante Temperatur aufweist. Hierfür ist es erforderlich, dass der Abstand zwischen der thermischen Energiequelle und dem unbeschichteten Be reich 165 während der Zufuhr der thermischen Energie konstant bleibt. Dies erfordert, dass die Führungsrolle 130 einen konstanten Abstand zur Elektrode 150 aufweist, während die thermische Energie zugeführt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zwischen der Elektrode 150 und der Führungsrolle 130 keine elektromagnetische Kraftwechselwirkung besteht, welche insbesondere entstehen kann, wenn die thermische Energie der Elektrode mittels Induktion zugeführt wird und die Führungsrolle ein ferromagnetisches Material aufweist. Wenn die Führungsrolle ein elektrisch-nichtleitenden Material, beispielsweise einem Kunststoff, aufweist kann diese elektromagnetische-Kraftwechselwirkung vermieden werden, und der Abstand zwischen der Führungsrolle 130 und der Elektrode 150 kann konstant gehalten wer den.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Führungsrolle 130 und eine Elektrode 150. Die Füh rungsrolle weist ferner eine Abrollfläche mit einer Kontaktfläche 135 und Vertiefun gen 260 auf. Die Vertiefungen 260 erstrecken sich von der Abrollfläche bezüglich der Achse der Führungsrolle radial nach innen. Die Elektrode 150 weist eine Elekt- roden-Folie 170 auf, welche zwischen einer ersten Elektrodenbeschichtung 160 und einer zweiten Elektrodenbeschichtung 180 angeordnet ist. Die Elektrodenbeschich tungen 160, 180 sind elektrisch leitend. Es ist vorteilhaft, wenn der Elektrode 150 vor der Komprimierung thermische Energie zugeführt wurde, und die Elektrode 150 bei der Komprimierung eine vorbestimmte Temperatur aufweist. Dadurch bauen sich während der Komprimierung weniger mechanische Spannungen innerhalb der Elektrode 150 auf. Bei der Beförderung der Elektrode 150 durch die Führungsrolle 130 kann durch den mechanischen Kontakt zwischen der Elektrode 150 und der Führungsrolle 130 thermische Energie von der Elektrode 150 auf die Führungsrolle 130 übertragen werden. Die Vertiefungen 260 wirken hierbei thermisch isolierend, so dass die Übertragung von Wärme an die Führungsrolle 130 zumindest verringert wird. Die Zuführung der thermischen Energie an die Elektrode 150 kann durch elekt rische Induktion erfolgen (hier nicht gezeigt). Wenn der Elektrode 150 während des Abrollens auf der Rolle thermische Energie mittels elektrischer Induktion zugeführt und die Führungsrolle 130 bzw. ihre Oberfläche elektrisch-leitend ist, wirkt eine Kraft von der Elektrode 150 auf die Rolle. Um dies zu verhindern ist es vorteilhaft, wenn die Führungsrolle aus einem elektrisch nicht-leitenden Material ausgeführt ist. Das elektrisch nicht-leitende bzw. isolierende Material kann beispielsweise einen Kunst stoff oder Keramik aufweisen.

Fig. 8 zeigt schematisch verschiedene Geometrien von Vertiefungen 260 in der Führungsrolle 130, welche sich von der Abrollfläche nach innen erstrecken.

In a) ist eine Vertiefung 260 mit einem rechtwinkligen Querschnitt gezeigt. Die Vertie fung 260 kann die Form einer Nut, eines Zylinders oder auch eines Quaders aufwei sen. In b) ist eine Vertiefung 260 mit einem dreieckigen Querschnitt gezeigt. Die Vertiefung 260 kann die Form einer Nut oder eines Kegels aufweisen.

In c) ist eine Vertiefung 260 mit einem halbkreisförmigen Querschnitt gezeigt. Die Vertiefung 260 kann die Form einer Nut oder einer Halbkugel aufweisen. In d) ist eine Vertiefung mit einem trapezförmigen Querschnitt gezeigt. Die Vertiefung kann die Form einer Nut oder einer Pyramide, insbesondere einer stumpfen Pyramide aufweisen.

Die Erfindung eignet sich für die Herstellung von Elektroden für Batteriezellen, insbe sondere für Batteriezellen für Kraftfahrzeugbatterien.

BEZUGSZEICHENLISTE

100 Verdichtungsvorrichtung

110 Erste Verdichtungseinheit 120 Zweite Verdichtungseinheit 130 Führungsrolle

135 Kontaktfläche

140 Aufwicklungsrolle

150 Elektrode

160 Erste Elektrodenbeschichtung 165 unbeschichteter Bereich

170 Elektroden-Folie

180 Zweite Elektrodenbeschichtung 190 Folienteilbereich d1, d2, d12, d3, ds Dicken der Elektrode x1, x2, x3, x4, x5, x6 Bereichsgrenzen

210 Entspannungsmodul

210a Entspannungsmodul-eins

210b Entspannungsmodul-zwei 210c Entspannungsmodul-drei

250 Thermische Energiequelle 260 Vertiefungen

Claims

ANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (150) für eine Batteriezelle, wobei die Elektrode zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aufweist, mit fol genden Schritten: ein erstes mechanisches Verdichten der Elektrode (150) zu einem ersten verdichteten Zustand der Elektrode (150) unter Verwendung einer ersten Verdichtungs-Anordnung (110) zur Verdichtung der Beschichtung; Versorgen der Elektrode (150) in zumindest einem beschichteten Ab schnitt mit thermischer Energie unter Verwendung wenigstens einer Ein richtung (210, 210a, 210b, 210c) mit einer thermischen Energiequelle zur Reduzierung von mechanischen Spannungen in der Elektrode, wobei das Versorgen mit thermischer Energie vor und/oder nach der ersten mechanischen Verdichtung erfolgt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei selektiv ein oder mehrere Bereiche der Elektrode mit thermischer Energie versorgt werden, welche zum Zeitpunkt der Versorgung mit thermischer Energie eine geringere Beschichtungsdicke als die zu diesem Zeitpunkt maximale Beschichtungsdicke aufweisen.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zusätzlich ein unbeschichteter Abschnitt der Elektrode mit thermischer Energie versorgt wird.

4. Vorrichtung (200) zur Herstellung einer Elektrode (150), welche zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aufweist, wobei die Vorrichtung aufweist eine erste Verdichtungs-Anordnung (110) für eine erste mechanische Verdichtung der Elektrode (150), eine Einrichtung (210, 210a, 210b, 210c) mit einer thermischen Energie quelle (250) zur Versorgung der Elektrode (150) mit thermischer Energie, wobei die Einrichtung (210, 210a, 210b, 210c) vor oder nach der ersten Verdichtungs-Anordnung (110) angeordnet ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die thermische Energiequelle (250) ein begrenzendes Element aufweist, welches ausgebildet ist, einen vorbe stimmten Bereich der Elektrode (150) mit thermischer Energie zu versorgen.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die thermische Energiequelle (250) eine Infrarot-Lampenheizung oder ein Induktionsgerät aufweist.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Einrichtung (210, 210a, 210b, 210c) wenigstens eine Führungsrolle (130) aufweist, mit welcher die Elektrode (150) im Betrieb der Vorrichtung beförderbar ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die wenigstens eine Führungsrolle mit einer thermischen Wärmequelle thermisch gekoppelt ist, wodurch die we nigstens eine Führungsrolle mit thermischer Energie versorgbar ist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die wenigstens eine Führungsrolle wenigstens ein thermisches Isolationselement (260) aufweist.

10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Einrichtung (210, 210a, 210b, 210c) mehrere Führungsrollen (130) aufweist, wobei wenigstens zwei der mehreren Führungsrollen (130) in Bezug auf die Bewegungsrich- tung der Elektrode (150) auf unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die mehreren Führungsrollen (130) innerhalb der Einrichtung (210, 210a, 210b, 210c) mäanderförmig angeord net sind.

12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 11, aufweisend - eine zweite Verdichtungs-Anordnung (120), für eine zweite mechanische

Verdichtung der Elektrode (150) zu einem zweiten verdichteten Zustand der Elektrode (150),

- wobei die Elektrode (150) im zweiten verdichteten Zustand eine höhere Verdichtung als im ersten verdichteten Zustand aufweist, wobei - wobei die Einrichtung (210, 210a, 210b, 210c) mit der thermischen Ener giequelle nach der ersten Verdichtungs-Anordnung (110) und vor der zweiten Verdichtungs-Anordnung (120) angeordnet ist.

13. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche 4 bis 12, wobei die erste- und/oder zweite Verdichtungs-Anordnung eine Walzenanordnung (110, 120) aufweist.

14. Elektrode, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.

15. Batteriezelle, aufweisend eine Elektrode gemäß Anspruch 14.