EP4555559A1 - Elektrode für eine batterieeinzelzelle, batterieeinzelzelle und verfahren zum befüllen mit elektrolyt - Google Patents

Elektrode für eine batterieeinzelzelle, batterieeinzelzelle und verfahren zum befüllen mit elektrolyt

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EP4555559A1
EP4555559A1 EP23798158.4A EP23798158A EP4555559A1 EP 4555559 A1 EP4555559 A1 EP 4555559A1 EP 23798158 A EP23798158 A EP 23798158A EP 4555559 A1 EP4555559 A1 EP 4555559A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
open
edge
electrode
active material
battery cell
Prior art date
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Pending
Application number
EP23798158.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Malte Henrik Klein
Hendrik Dubbe
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mercedes Benz Group AG filed Critical Mercedes Benz Group AG
Publication of EP4555559A1 publication Critical patent/EP4555559A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M50/60—Arrangements or processes for filling or topping-up with liquids; Arrangements or processes for draining liquids from casings
    • H01M50/609—Arrangements or processes for filling with liquid, e.g. electrolytes
    • H01M50/627—Filling ports

Definitions

  • the invention relates to an electrode for a single battery cell according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a single battery cell with an arrangement of separators and such electrodes in a prismatic housing. Finally, the invention also relates to a method for filling such a single battery cell with electrolyte.
  • electrodes for individual battery cells are known from the state of the art.
  • metallic substrates are used, made of copper or aluminum depending on the pole, and coated with an active material on at least one side.
  • These electrodes are then stacked or rolled up to form an electrode-separator arrangement, alternating in terms of polarity and with separators arranged in between, and soaked in a battery housing with the electrolyte required according to the cell chemistry used.
  • the basic structure of a single battery cell, referred to there as a converter cell, including its manufacturing process is described, for example, in DE 102012 012 790 A1.
  • the housings for the individual battery cells are evacuated and heated before being filled with electrolyte, and then the electrolyte is added. Inside the cell there is then one or more of the electrode separator arrangements, for example in the form of an electrode stack. which is then wetted with electrolyte. Capillary forces draw the electrolyte from the outside to the inside into this stack. The electrolyte is essentially "sucked in”.
  • the article "Visualization of electrolyte filling process and influence of vacuum during filling for hard case prismatic lithium ion cells by neutron imaging to optimize the production process" by Weydanz et al. describes such a process.
  • the object of the present invention is to provide an improved electrode for a single battery cell and a single battery cell constructed therewith. Furthermore, the object of the invention is to provide a method for filling with electrolyte that is suitable for constructing a single battery cell with such an electrode.
  • this object is achieved with respect to the device by an electrode with the features in claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1.
  • a single battery cell according to claim 7 solves the problem.
  • Advantageous embodiments of the electrode arise from the subclaims dependent on claim 1.
  • the object is solved by a method according to claim 8.
  • an advantageous embodiment arises from the dependent subclaim.
  • the electrode for a single battery cell has, as is also common in the prior art, a metallic substrate which is coated on at least one of its sides with an active material, the active material having at least one open-edge opening.
  • Such an open-edge opening in the active material is an opening which, in a plan view of the surface of the active material, is designed in such a way that it is openly connected to a side edge of the flat coating of the active material.
  • two aligned open-edge openings are provided which are open on opposite side edges. They therefore protrude from the two opposite side edges into the surface of the electrode coated with the active material without the mutually facing ends of the two open-edge openings touching.
  • the open-edge openings which preferably run through the entire thickness of the active material do not divide the surface of the active material into two separate areas.
  • the edge-opening opening can extend over the entire thickness of the active material, so that in the area of the edge-opening opening the substrate can be seen when looking at the coated surface.
  • the opening can therefore be free of active material.
  • At least one of the open-edge openings can be designed as a straight channel.
  • a straight channel can, for example, extend from the middle area of the surface of the coated material to one of the side edges and thus connect one end area of the opening with the opposite open-edge area of the opening or channel, so that a flow-through opening is created, for example, from the middle area of the active material to its edge.
  • a straight channel enables this connection with minimal space requirements.
  • the open-edge opening can preferably end centrally in one of the side edges, i.e. is arranged centrally with respect to the coated surface at least in the region of its open-edge end.
  • At least one of the edge-open openings can preferably be produced by laser ablation on the electrode that has already been coated with the active material, so that in the area of the desired edge-open opening the coating of the active material is completely or at least partially removed again by means of laser processing.
  • a single battery cell according to the invention provides that an arrangement of separators and electrodes in one of the described embodiments is arranged in a prismatic housing.
  • the arrangement of separators and electrodes is surrounded in the housing by an edge channel into which the at least one edge-open opening of the electrodes opens. The edge-open opening is therefore connected to the edge channel.
  • a very advantageous method for filling such a single battery cell with electrolyte provides that the open-edge openings face one of the sides of the housing or, preferably, two opposite sides of the housing, with the electrolyte being supplied on one of the sides to which at least one of the open-edge openings faces.
  • the electrolyte is therefore metered into the housing in a manner known per se.
  • the open-edge openings are at least partially assigned to the side on which the electrolyte is supplied. They are therefore open-edge in this direction.
  • individual electrodes can also be designed with the open-edge sides in this direction and other electrodes with the open-edge sides in the opposite direction or a direction transverse to it.
  • the open-edge openings ensure that gases and possibly moisture that have collected in the active material can escape via the open-edge openings for a comparatively long time.
  • the open-edge openings improve the removal of gases and moisture from the active material, so that the remaining active material is better saturated with the electrolyte.
  • the open-edge openings mean that part of the active material is dispensed with, since the area of the open-edge openings has no or only a very reduced amount of active material.
  • the improvement in the impregnation compensates for this supposed disadvantage in terms of area, since with a suitable design of the
  • the area required for the openings with open edges can be chosen to be smaller than the area that is typically not wetted or only very unevenly wetted in the middle of at least some electrodes by enclosed gases and moisture, and is therefore not electrochemically active either.
  • there is a much more homogeneous wetting with the electrolyte This prevents adverse effects at interfaces between wetted and unwetted areas of the active material, which means that the cell has better resistance to aging.
  • the electrolyte can be supplied centrally on one side of the housing, so that it spreads out from the center and the gases can escape very well, particularly on the opposite side, through an opening at the edge that opens there.
  • Fig. 1 is a representation of the impregnation of an electrode-separator arrangement with electrolyte according to the aforementioned prior art from the “Journal of Power Sources”;
  • Fig. 2 is a representation of the first step of impregnating an electrode separator arrangement in a single battery cell according to the invention.
  • Fig. 3 Sectional view along the line ll-ll in Fig. 2 through a part of the electrode-separator arrangement.
  • the single battery cell 1 consists of a housing designated 2, which in an example shown here of a prismatic single battery cell 1 is formed from several cuboid-shaped housing walls 3. Inside this housing 2 there is an electrode-separator arrangement 4, which is designed here as an example as a stack of electrodes 10 and separators 11, which can be partially seen in Figure 3 in an embodiment according to the invention. It is therefore also referred to below as a stack 4. Electrical connection lugs 5, 6 protrude from the single battery cell 1 through the housing wall 3 of the housing 2 shown above. Between these connection lugs 5, 6 there is a filling opening designated 7 for electrolyte E, which is indicated here and in the following figures by an irregular cross-hatching.
  • the electrolyte E is filled into the opening 7 according to the arrow shown, the housing 2 having been evacuated beforehand.
  • the electrolyte E now begins to spread in an edge channel 8, which is formed between the front sides of the stack 4 and the housing walls 3, while at the same time it is sucked into the stack 4 from the areas in which it is present in the edge channel 8 by the capillary forces.
  • this occurs primarily from the side of the filling opening 7.
  • the electrolyte E has already penetrated further into the edge channel 8 and into the stack 4.
  • the entire edge channel 8 is filled with electrolyte E and the electrolyte has largely spread within the stack 4, so that the stack 4 is largely soaked. If gases and/or moisture 9 remain in the stack 4 despite evacuation and typically heating of the single battery cell 1 before impregnation with the electrolyte E, these are now enclosed within the stack by the electrolyte E sucked into the stack 4 from all sides and remain within the stack, typically slightly below the middle, as indicated by the white oval in Figure 1c). In these areas, the active materials of the electrodes are then not completely wetted. Due to the electrolyte E sucked in from all sides, the gases and/or moisture cannot easily escape from the stack 4. In practice, this leads to a reduction in the capacity and service life of the single battery cell 1.
  • the gases and/or moisture remain in the area marked 9.
  • the in the inventive structure of the single battery cell 1 or its electrodes 10 at least one edge-open opening 12 is provided in at least some of the electrodes 10, as can be seen in the illustration in Figure 2.
  • the open-edge openings 12 are shown in dashed lines. They can consist in particular of open-edge channels which are arranged centrally on the side of the stack 4 on which the electrolyte E is supplied through the filling opening 7 and correspondingly centrally on the opposite side.
  • the open-edge openings 13 then protrude as straight channels from the middle of the respective side into the active material 13, which can be seen in the sectional view in Figure 3, but do not divide the surface of the active material 13 into two areas separated by the open-edge openings 12.
  • each of the electrodes 10 consists of a metallic substrate designated 14, onto which the active material 13 is applied at least on one side, here preferably on both sides.
  • the metallic substrate 14 consists of either copper or a copper alloy or aluminum or an aluminum alloy, depending on which pole the electrode 10 forms.
  • the applied active material 13, which is applied on both sides in the view in Figure 3, now has the open-edge opening 12. This can be formed, for example, as a fine channel by laser ablation, so that the open-edge opening 12, which is preferably formed over the entire thickness of the active material 15, protrudes into the surface of the active material 13, as can be seen from the top view according to Figure 2.
  • open-edge openings 12 does lead to a slight loss of capacity, since there is no longer any active material in the laser-ablated areas of the open-edge openings 12, which reduces the total active area of the single battery cell.
  • the active material 13 in the areas in which the active material 13 is present, there is a much more homogeneous wetting with the electrolyte E, so that adverse effects at interfaces between wetted and unwetted areas of the active material 13 are reduced or completely avoided, so that the single battery cell 1 has better performance and better aging resistance, which far outweighs the slight loss of area due to the open-edge openings 12.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode (10) für eine Batterieeinzelzelle (1) mit einem metallischen Substrat (14), welches auf zumindest einer seiner Seiten mit einem Aktivmaterial (15) beschichtet ist. Die erfindungsgemäße Elektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial (15) wenigstens eine randoffene Öffnung (12) aufweist. Außerdem beschreibt die Erfindung eine Batterieeinzelzelle (1) mit einer solchen Elektrode (10) sowie ein Verfahren zum Befüllen dieser Batterieeinzelzelle (1) mit Elektrolyt (E).

Description

Elektrode für eine Batterieeinzelzelle, Batterieeinzelzelle und Verfahren zum Befüllen mit Elektrolyt
Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Batterieeinzelzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine Batterieeinzelzelle mit einer Anordnung von Separatoren und derartigen Elektroden in einem prismatischen Gehäuse. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem ein Verfahren zum Befüllen einer derartigen Batterieeinzelzelle mit Elektrolyt.
Die Herstellung von Elektroden für Batterieeinzelzellen ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden, beispielsweise für Batterieeinzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie, metallische Substrate, je nach Pol aus Kupfer oder Aluminium, genutzt und zumindest auf einer Seite mit einem Aktivmaterial beschichtet. Diese Elektroden werden dann hinsichtlich der Polarität abwechselnd und mit dazwischen angeordneten Separatoren zu einer Elektroden-Separatoren-Anordnung aufgestapelt oder aufgerollt und in einem Batteriegehäuse mit dem entsprechend der genutzten Zellchemie notwendigen Elektrolyten getränkt.
Den prinzipiellen Aufbau einer dort als Wandlerzelle bezeichneten Batterieeinzelzelle samt ihres Herstellungsverfahrens wird beispielsweise in der DE 102012 012 790 A1 beschrieben. Die dortige Offenbarung zeigt die Herstellung des Gehäuses und der Wandlerzelle als solches, ohne im größeren Detail auf den Aufbau der einzelnen Elektroden und das Tränken mit Elektrolyt einzugehen.
In der heutigen Praxis ist es jedoch so, dass die Gehäuse für die Batterieeinzelzellen vor der Befüllung mit Elektrolyt evakuiert und erwärmt werden, bevor anschließend der Elektrolyt eingefüllt wird. Im Inneren der Zelle befindet sich dann eine oder mehrere der Elektroden-Separatoren-Anordnungen, beispielsweise in Form eines Elektrodenstapels, welcher dabei mit Elektrolyt benetzt wird. Durch Kapillarkräfte wird der Elektrolyt von außen nach innen in diesen Stapel hineingezogen. Der Elektrolyt wird quasi „eingesaugt“. Im Journal of Power Sources 380 (2018) 126-134 ist im Artikel „Visualization of electrolyte filling process and influence of vacuum during filling for hard case prismatic lithium ion cells by neutron imaging to optimize the production process” von Weydanz et al. ein solcher Ablauf beschrieben. Dabei sind entsprechende Aufnahmen einer Batterieeinzelzelle während der Befüllung mit Elektrolyt gezeigt. Diese Aufnahmen zeigen, dass der Elektrolyt eine gewisse Zeit nach dem Einfüllen in das Gehäuse den gesamten Elektrodenstapel umgibt und von allen Seiten aus gleichmäßig in den Elektrodenstapel eingesaugt wird. Dies führt in der Praxis dazu, dass trotz der Evakuierung eventuell noch in dem Elektrodenstapel verbliebene Feuchtigkeit und Gase sich am Ende des Befüllungsprozesses in der Mitte des Elektrodenstapels konzentrieren. Derartige Stellen, welche nicht oder nicht vollständig mit dem Elektrolyt getränkt sind, führen in der Praxis dann zu einer Beeinträchtigung der Performance der Batterieeinzelzelle und verringern deren Lebensdauer.
Aus der DE 102018216 523 A1 und sehr ähnlich auch aus der JP 2015 032 389 A ist es bekannt, im Bereich einer Batterieeinzelzelle zwischen dem Aktivmaterial, also der Elektrode, und dem elektrischen Ableiter durchlaufende Entgasungskanäle vorzusehen.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin eine verbesserte Elektrode für eine Batterieeinzelzelle sowie eine damit aufgebaute Batterieeinzelzelle anzugeben. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung ein für den Aufbau einer Batterieeinzelzelle mit einer derartigen Elektrode geeignetes Verfahren zum Befüllen mit Elektrolyt anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bezüglich der Vorrichtung durch eine Elektrode mit den Merkmalen im Anspruch 1 , und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 , gelöst. Außerdem löst eine Batterieeinzelzelle gemäß Anspruch 7 die Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Elektrode ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung aus dem abhängigen Unteranspruch. Die Elektrode für eine Batterieeinzelzelle weist, wie es auch im Stand der Technik üblich ist, ein metallisches Substrat auf, welches auf zumindest einer seiner Seiten mit einem Aktivmaterial beschichtet ist, wobei das Aktivmaterial wenigstens eine randoffene Öffnung aufweist. Eine solche randoffene Öffnung in dem Aktivmaterial ist dabei eine Öffnung, welche in einer Draufsicht auf die Fläche des Aktivmaterials so gestaltet ist, dass sie offen mit einer Seitenkante der flächigen Beschichtung des Aktivmaterials in Verbindung steht. Gemäß der Erfindung ist es dabei so, dass zwei fluchtende randoffene Öffnungen, die auf gegenüberliegenden Seitenkanten offen ausgebildet sind, vorgesehen werden. Sie ragen also von den beiden gegenüberliegenden Seitenkanten aus in die mit dem Aktivmaterial beschichtete Fläche der Elektrode, ohne dass die einander zugewandten Enden der beiden randoffenen Öffnungen sich berühren. Die bevorzuge t druch die gesamte Dicke des aktivmaterials verlaufenden randoffenen Öffnungen teilen die Fläche des Aktivmaterials also nicht in zwei getrennte Bereiche.
Die randoffene Öffnung kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung über die gesamte Dicke des Aktivmaterials reichen, sodass im Bereich der randoffenen Öffnung das Substrat bei einem Blick auf die beschichtete Oberfläche zu erkennen ist. Die Öffnung kann also frei von Aktivmaterial sein. Prinzipiell reicht es jedoch aus, wenn die randoffene Öffnung in der Art ausgebildet ist, dass in ihrem Bereich die Dicke des Aktivmaterials gegenüber den umgebenden Bereichen so deutlich reduziert ist, dass hier eine entsprechende Öffnung bzw. Vertiefung entsteht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Elektrode kann wenigstens eine der randoffenen Öffnungen als geradliniger Kanal ausgebildet sein. Ein solcher geradliniger Kanal kann beispielsweise vom mittleren Bereich der Fläche des beschichteten Materials bis zu einer der Seitenkanten ragen und so den einen Endbereich der Öffnung mit dem gegenüberliegenden randoffenen Bereich der Öffnung bzw. des Kanals entsprechend verbinden, sodass also eine durchströmbare Öffnung beispielsweise vom mittleren Bereich des Aktivmaterials bis zu seinem Rand entsteht. Ein geradliniger Kanal ermöglicht diese Verbindung dabei mit minimalem Flächenbedarf.
Die randoffene Öffnung kann vorzugsweise mittig in einer der Seitenkanten enden, ist also bezogen auf die beschichtete Fläche zumindest im Bereich ihres randoffenen Endes mittig angeordnet. Wenigstens eine der randoffenen Öffnungen lässt sich dabei vorzugsweise auf der bereits fertig mit dem Aktivmaterial beschichteten Elektrode durch Laserablation herstellen, sodass im Bereich der gewünschten randoffenen Öffnung die Beschichtung des Aktivmaterials mittels einer Laserbearbeitung wieder ganz oder zumindest teilweise abgetragen wird.
Eine Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung sieht es nun vor, dass in einem prismatischen Gehäuse eine Anordnung von Separatoren und Elektroden in einer der beschriebenen Ausführungsvarianten angeordnet ist. Die Anordnung aus Separatoren und Elektroden ist dabei in dem Gehäuse von einem Randkanal umgeben, in welche die wenigstens eine randoffene Öffnung der Elektroden mündet. Die randoffene Öffnung steht also mit dem Randkanal in Verbindung.
Ein sehr vorteilhaftes Verfahren zum Befüllen einer derartigen Batterieeinzelzelle mit Elektrolyt sieht es nun vor, dass die randoffenen Öffnungen einer der Seiten des Gehäuses oder, bevorzugt, zwei gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses zugewandt sind, wobei der Elektrolyt auf einer der Seiten, denen zumindest eine der randoffenen Öffnungen zugewandt sind, zugeführt wird. Der Elektrolyt wird also in an sich bekannter Art und Weise in das Gehäuse eindosiert. Die randoffenen Öffnungen sind dabei zumindest teilweise der Seite, auf welcher der Elektrolyt zugeführt wird, zugeordnet. Sie sind also in dieser Richtung randoffen. Dabei können beispielsweise auch einzelne Elektroden mit den randoffenen Seiten in dieser Richtung und andere Elektroden mit den randoffenen Seiten in die gegenüberliegende Richtung oder eine Richtung quer dazu ausgebildet sein. Alles in allem sorgen die randoffenen Öffnungen bei einer derartigen Befüllung mit Elektrolyt nun dafür, dass über die randoffenen Öffnungen vergleichsweise lange Gase und gegebenenfalls Feuchtigkeit, welche sich in dem Aktivmaterial gesammelt haben, austreten können. Die randoffenen Öffnungen sorgen also für eine Verbesserung der Abfuhr von Gasen und Feuchtigkeit aus dem Aktivmaterial, sodass das verbleibende Aktivmaterial besser mit dem Elektrolyt durchtränkt wird.
Durch die randoffenen Öffnungen wird zwar auf einen Teil des Aktivmaterials verzichtet, da die Fläche der randoffenen Öffnungen kein oder nur eine sehr reduzierte Menge an Aktivmaterial aufweist. Durch die Verbesserung der Tränkung wird dieser vermeintliche Nachteil hinsichtlich der Fläche jedoch ausgeglichen, da bei geeigneter Auslegung der randoffenen Öffnungen die für sie benötigte Fläche kleiner gewählt werden kann, als es typischerweise diejenige Fläche ist, welche in zumindest einigen Elektroden durch eingeschlossene Gase und Feuchtigkeit mittig nicht oder nur sehr ungleichmäßig benetzt wird, und damit elektrochemisch ebenfalls nicht aktiv ist. Ferner ist es so, dass in den Bereichen, in denen das Aktivmaterial vorhanden ist, eine sehr viel homogenere Benetzung mit dem Elektrolyt vorliegt. Nachteilige Effekte an Grenzflächen zwischen benetzten und unbenetzten Bereichen des Aktivmaterials werden so verhindert, wodurch die Zelle eine bessere Alterungsbeständigkeit aufweisen.
Der Elektrolyt kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittig auf der einen Seite des Gehäuses zugeführt werden, sodass er sich von der Mitte her entsprechend ausbreitet und die Gase insbesondere auf der gegenüberliegenden Seite durch eine sich dort öffnende randoffene Öffnung sehr gut entweichen können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Elektrode und der Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung sowie der damit zu erzielenden verbessernden Tränkung der Elektroden- Separatoren-Anordnung mit Elektrolyt ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung der Tränkung einer Elektroden-Separatoren-Anordnung mit Elektrolyt gemäß des eingangs genannten Standes der Technik aus dem „Journal of Power Sources“;
Fig. 2 eine Darstellung des ersten Schritts der Tränkung einer Elektroden- Separatoren-Anordnung bei einer Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung; und
Fig. 3 Schnittdarstellung gemäß der Linie ll-ll in Fig. 2 durch einen Teil der Elektroden-Separatoren-Anordnung.
In der Darstellung der Figur 1 ist in Anlehnung an den eingangs genannten Artikel im Journal of Power Sources 380 (2018) 126-134 gezeigt, wie eine herkömmliche Batterieeinzelzelle 1 mit Elektrolyt getränkt wird. Die Batterieeinzelzelle 1 besteht aus einem mit 2 bezeichneten Gehäuse, welches bei einem hier dargestellten Beispiel einer prismatischen Batterieeinzelzelle 1 aus mehreren quaderförmig zusammengesetzten Gehäusewänden 3 ausgebildet ist. Innerhalb dieses Gehäuses 2 befindet sich eine Elektroden-Separatoren-Anordnung 4, welche hier beispielhaft als Stapel von Elektroden 10 und Separatoren 11 , welche in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung teilweise in Figur 3 erkennbar sind, ausgebildet ist. Sie wird deshalb nachfolgend auch als Stapel 4 bezeichnet. Elektrische Anschlussfahnen 5, 6 ragen durch die hier oben dargestellte Gehäusewand 3 des Gehäuses 2 aus der Batterieeinzelzelle 1 heraus. Zwischen diesen Anschlussfahnen 5, 6 befindet sich eine mit 7 bezeichnete Befüllöffnung für Elektrolyt E, welcher hier und in den nachfolgenden Figuren jeweils durch eine unregelmäßige Kreuzschraffur angedeutet ist.
Der Elektrolyt E wird gemäß dem dargestellten Pfeil in die Öffnung 7 eingefüllt, wobei das Gehäuse 2 zuvor evakuiert worden ist. In einem Randkanal 8, welcher zwischen den Stirnseiten des Stapels 4 und den Gehäusewänden 3 ausgebildet ist, beginnt sich nun der Elektrolyt E zu verteilen, während er gleichzeitig aus den Bereichen heraus, in denen er in dem Randkanal 8 vorhanden ist, durch die Kapillarkräfte in den Stapel 4 eingesaugt wird. Zu dem in Figur 1a) dargestellten ersten Zeitpunkt erfolgt dies primär von der Seite der Befüllöffnung 7 aus. Zu einem etwas späteren Zeitpunkt in der Figur 1b) ist der Elektrolyt E in dem Randkanal 8 und in dem Stapel 4 bereits weiter vorgedrungen. In der Darstellung der Figur 1c) ist der gesamte Randkanal 8 mit Elektrolyt E befüllt und der Elektrolyt hat sich innerhalb des Stapels 4 weitgehend verteilt, sodass der Stapel 4 weitgehend getränkt ist. Sind trotz des Evakuierens und typischerweise eines Erwärmens der Batterieeinzelzelle 1 vor der Tränkung mit dem Elektrolyt E Gase und/oder Feuchtigkeit 9 in dem Stapel 4 verblieben, dann werden diese nun von dem allseitig in den Stapel 4 eingesaugten Elektrolyt E innerhalb des Stapels eingeschlossen und verbleiben, wie es in der Darstellung der Figur 1c) durch das weiße Oval angedeutet ist, innerhalb des Stapels, typischerweise etwas unterhalb der Mitte. In diesen Bereichen ist dann keine vollständige Benetzung der Aktivmaterialien der Elektroden erreicht. Aufgrund des von allen Seiten eingesaugten Elektrolyts E können die Gase und/oder die Feuchtigkeit auch nicht ohne weiteres aus dem Stapel 4 entweichen. Dies führt in der Praxis zu einer Verminderung der Kapazität und der Lebensdauer der Batterieeinzelzelle 1.
In der Darstellung der Figur 1 verbleiben also die Gase und/oder Feuchtigkeit in dem mit 9 bezeichneten Bereich. Um diesem Problem Abhilfe zu schaffen, wird bei dem erfindungsgemäßen Aufbau der Batterieeinzelzelle 1 bzw. ihrer Elektroden 10 jeweils wenigstens eine randoffene Öffnung 12 in zumindest einigen der Elektroden 10 vorgesehen wird, wie es in der Darstellung der Figur 2 zu erkennen ist.
Diese zeigt eine Draufsicht auf den Stapel 4, analog zur Darstellung in Figur 1a. Dabei sind die randoffenen Öffnungen 12 gestrichelt eingezeichnet. Sie können insbesondere aus randoffenen Kanälen bestehen, welche auf der Seite des Stapels 4, auf welcher der Elektrolyt E durch die Befüllöffnung 7 zugeführt wird, mittig und entsprechend auf der gegenüberliegenden Seite mittig angeordnet sind. Die randoffenen Öffnungen 13 ragen dann als geradlinige Kanäle von der Mitte der jeweiligen Seite aus in das Aktivmaterial 13, welches in der Schnittdarstellung der Figur 3 zu erkennen ist, hinein, teilen die Fläche des Aktivmaterials 13 jedoch nicht in zwei durch die randoffenen Öffnungen 12 getrennte Bereiche.
In der bereits angesprochenen Schnittdarstellung der Figur 3 ist nun rein beispielhaft eine der Elektroden 10 in der Darstellung der Figur 3 mittig gezeigt. Jede der Elektroden 10 besteht dabei aus einem mit 14 bezeichneten metallischen Substrat, auf welches das Aktivmaterial 13 zumindest auf einer Seite, hier vorzugsweise auf beiden Seiten, aufgetragen ist. Bei einer Lithium-Ionen-Batterieeinzelzelle 1 besteht das metallische Substrat 14, je nachdem, welchen Pol die Elektrode 10 ausbildet, entweder aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bzw. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Das aufgetragene Aktivmaterial 13, welches in der Darstellung der Figur 3 auf beiden Seiten aufgetragen ist, weist nun die randoffene Öffnung 12 auf. Diese kann beispielsweise als feiner Kanal durch Laser-Ablation ausgebildet sein, sodass die vorzugsweise über die gesamte Dicke des Aktivmaterials 15 ausgebildete randoffene Öffnung 12 in die Fläche des Aktivmaterials 13 hineinragt, wie es aus der Draufsicht gemäß Figur 2 zu erkennen ist.
Die zur Veranschaulichung der Erfindung gewählte Größe der Darstellung in den Figuren 2 und 3 ist dabei nicht maßstäblich, vielmehr sind die randoffenen Öffnungen 12 ebenso wie die Schichtdicke in der Darstellung der Figur 3 in der Realität sehr viel kleiner, was für den Randkanal 8 ebenso gilt. Diese Elektrode 10 aus dem Substrat 14 und dem Aktivmaterial 15 wird dann von dem Separator 11 abgedeckt, nach welchem eine weitere Elektrode 10, diesmal die des anderen Pols der Batterieeinzelzelle 1, folgt und sofort bis aus einer Vielzahl derartiger Elektroden 10 und Separatoren 11 der oben als Elektroden- Separatoren-Anordnung beschriebene Stapel 4 besteht. In Figur 3 ist dies durch gestrichelt dargestellte weitere Separatoren 11 und Elektroden 10 sowie die Fortsetzungspunkt entsprechend angedeutet.
Wenn nun der Elektrolyt E durch die Kapillarkräfte in das Innere des Stapels 4 eingezogen wird, dann kann potenziell noch in den Stapel 4 und hier typischerweise in dem porösen Aktivmaterial 13 enthaltenes Gas durch die feinen Kanäle der randoffenen Öffnungen 12 aus dem Inneren des Stapels 4 in den Randkanal 8 entweichen, sodass im Gegensatz zu der Darstellung in Figur 1 eine vollständige Durchtränkung des Stapels 4 erreicht werden kann, bei welcher keine ungetränkten Bereiche 9 in dem Stapel 4 verbleiben.
Der Einsatz derartiger randoffener Öffnungen 12 führt zwar zu einem geringfügigen Verlust der Kapazität, da in den laserablatierten Bereichen der randoffenen Öffnungen 12 kein Aktivmaterial mehr vorhanden ist, wodurch der gesamte aktive Bereich der Batterieeinzelzelle verringert wird. Allerdings erfolgt in den Bereichen, in denen das Aktivmaterial 13 vorhanden ist, eine sehr viel homogenere Benetzung mit dem Elektrolyt E, sodass nachteilige Effekte an Grenzflächen zwischen benetzten und unbenetzten Bereichen des Aktivmaterials 13 vermindert oder gänzlich vermieden werden, sodass die Batterieeinzelzelle 1 eine bessere Performance und eine bessere Alterungsbeständigkeit aufweist, was den geringfügigen Flächenverlust durch die randoffene Öffnungen 12 bei weitem überwiegt.

Claims

Patentansprüche Elektrode (10) für eine Batterieeinzelzelle (1) mit einem metallischen Substrat (14), welches auf zumindest einer seiner Seiten mit einem Aktivmaterial (15) beschichtet ist, wobei das Aktivmaterial (15) wenigstens eine randoffene Öffnung (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei fluchtende randoffene Öffnungen (12) vorgesehen sind, deren randoffene Enden auf gegenüberliegenden Seitenkanten des Aktivmaterials (15) liegen, ohne die Fläche des Aktivmaterials (13) in zwei durch die randoffenen Öffnungen (12) getrennte Bereiche zu teilen. Elektrode (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der randoffenen Öffnungen (12) als geradliniger Kanal ausgebildet ist. Elektrode (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die randoffenen Öffnungen (12) mittig in jeweils einer der Seitenkanten enden. Elektrode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der randoffenen Öffnungen (12) frei von Aktivmaterial (15) ist. Elektrode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der randoffenen Öffnungen (12) sich über die gesamte Dicke des Aktivmaterials (15) ausdehnt. Elektrode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der randoffenen Öffnungen (12) durch Laserablation hergestellt ist. Batterieeinzelzelle (1) mit einer Anordnung von Separatoren (11) und Elektroden (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in einem prismatischen Gehäuse (2), wobei die Anordnung von Separatoren (11) und Elektroden (10) in dem Gehäuse (2) von einem Randkanal (8) umgeben ist, in welchen die randoffenen Öffnungen (12) der Elektroden (10) münden. Verfahren zum Befüllen einer Batterieeinzelzelle (1) nach Anspruch 7 mit Elektrolyt (E), wobei die randoffenen Öffnungen (12) einer der Seiten des Gehäuses (2) oder zwei gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses (2) zugewandt sind, wobei der Elektrolyt (E) auf einer der Seiten denen zumindest einige der randoffenen Öffnungen (12) zugewandt sind, zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (E) über eine Befüllöffnung (7) mittig in einer Seitenwand (3) der Seite, denen zumindest einige der randoffenen Öffnungen (12) zugewandt sind, zugeführt wird.
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