WO2004017442A2 - Elektroden-ableiter-abschnitt und verfahren zur kontaktierung von mehreren elektroden - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to an electrode conductor section with a plurality of electrodes and a conductor, to a battery comprising at least one electrode conductor section according to the invention, and to a method for contacting a plurality of electrodes with one another.
  • An essential criterion for the correct functioning of batteries and similar components is the contacting of electrode ends, for example anode electrodes or cathode electrodes of a battery, and of connected arresters or current collectors. This ensures the correct polarity to the positive or negative pole of a battery. When making this contact, care must be taken to ensure that there is no loss of electrical conductivity from the electrodes to the conductor and from the conductor to the respective battery pole. In addition, the contact between the electrodes and the electrodes with the conductor should be corrosion-free.
  • the contacting In another type of contacting, gluing by means of a conductive adhesive, in addition to an increase in the electrical resistance, the contacting also becomes brittle during battery operation. In ultrasonic welding, embrittlement sometimes occurs and, as a result, the welded (contacted) arresters, which are often designed as arrester foils, break off. More specifically, the connections of the arresters to the electrodes are poor in mechanical stability.
  • FIG. 1 a shows an electrode conductor section according to the invention with a conductor plate 3 placed in the area of an anode of a winding cell.
  • FIG. 1b shows an electrode arrester section according to the invention with a bolt-shaped arrester 3 in the center of a winding cell in the anode region.
  • FIG. 2 shows a section of a laminate section through a winding cell before contacting protruding electrode ends 1.
  • FIGS. 3a and 3b show a copper conductor 3 on the anode side and an aluminum conductor 7 on the cathode side for use in electrode conductor sections according to the invention.
  • FIG. 4a shows a section through a laminate section of a battery cell, consisting of cathode 6 with projecting electrode ends 1, electrolyte 4 and anode 5 with projecting electrode ends 1, in which the electrode ends 1 are folded over on the anode side of the battery cell.
  • FIG. 4b shows a section through a laminate section of a battery with an electrode conductor section according to the invention.
  • FIGS. 5a and 5b show top views of electrode conductor sections of a winding cell according to the invention.
  • FIG. 5a one half of the winding cell surface is sprayed with metal and in FIG. 5b the entire winding cell surface is sprayed with metal.
  • the electrode conductor section comprises a plurality of electrodes 5 or 6 of the same polarity and a conductor 3 or 7, a plurality of electrode ends 1 of the same polarity being folded and / or compressed in a plane transverse to the direction of extension of the electrodes 5, 6 and then treated by arc spraying to thereby form an essentially continuous contact layer 2 in this plane, against which an arrester 3, 7 rests.
  • the electrodes 5, 6 are thus contacted with one another by the formation of a suitable contact layer 2 on the folded and compressed electrode ends 1.
  • the electrodes 5, 6 of the same polarity included in the electrode conductor section according to the invention are preferably designed in the form of lamellae.
  • This can be a cylindrical winding, as shown in FIGS. 1 a, b, a concentric electrode arrangement or an electrode arrangement achieved by stacking or folding.
  • Particularly suitable electrode sections with protruding electrode ends 1, which are preferably used in the case of a winding, are in the form of conductive foils.
  • the ends 1 of the electrode lamellae of one pole protrude at one end of the electrode arrangement.
  • the associated set of second electrodes with reversed polarity on the opposite side of the electrode arrangement and if necessary, according to the invention also to be provided with projecting ends 1 of the electrode lamellae with the same polarity.
  • the electrode conductor section according to the invention is provided in a cylindrical winding in which the electrode ends 1 project in a substantially circular plane, it is advantageous to fold and compress the electrode ends 1 only in one sector of this plane, as in FIGS. b is shown in the area of the anode.
  • the electrode ends 1 are preferably folded over in one direction and in particular towards the center of a cylindrical winding. This preferred folding technique is shown in Figure 4a.
  • an arrester 3, 7 is present. This is preferably arranged in the core or the center of a cylindrical winding or a concentric electrode arrangement in a plane aligned parallel to the electrodes 5, 6.
  • the shape of the arrester 3, 7 is freely selectable.
  • the arresters 3, 7 are often designed in the form of bolts in winding cells, which can optionally also be designed with an internal or external thread or comprise a crimp connection for power cables or the like.
  • an arrester 3, 7 can be designed in the form of an arrester disk, as in FIGS. 3a, b is shown as an example.
  • This conductor plate is preferably attached directly to the folded and / or compressed electrode ends 1 or to the contact layer 2 formed.
  • the arrester disk can be connected and contacted by arc spraying, soldering or the like. Contacting via arc spraying is preferred.
  • the arrester 3, 7 can also be designed as a flexible strand or arrester foil, in order thereby to be able to ensure flexible contact, for example of an electrode arrester section, with a pole which is fixedly connected to the housing of a battery.
  • the materials of the electrodes 5, 6 including the electrode ends 1 and the conductors 3, 7 are not restricted and depend on the type of use.
  • Preferred materials for the electrodes 5, 6 and electrode ends 1 are metals such as aluminum, copper and the like, metal foils or conductive foils coated with metals, for example made of polymer materials or the like.
  • electrodes made of aluminum often form the electrodes 6 connected to the cathode and those made of copper often form the electrodes 5 connected to the anode.
  • the thickness of the metal foils used for the lamellae 1 or of the foils coated with metals is preferably in the range from 5 to 100 ⁇ m, more preferably from 5 to 70 ⁇ m and even more preferably from 10 to 40 ⁇ m.
  • these are for example at a distance D1 or D2 of approximately 20 to 1000 ⁇ m, preferably of 30 to 700 microns and more preferably arranged from 50 to 500 microns.
  • the length of the wound electrode lamellae i.e. the total distance of the composite system wound in one winding, in one
  • Winding cell arrangement preferably about 20 to 5000 cm, more preferably about 30 to 4000 cm and even more preferably 50 to 3000 cm.
  • the conductors 3, 7 are advantageously selected from the same material as the electrodes 5, 6 or electrode ends 1 connected and contacted with them.
  • the use of the same material for the metal used in arc spraying is preferred.
  • any metal that is chemically and electrochemically inert to the electrode and conductor material is also suitable.
  • Arc spraying is a thermal coating process with which metals can be applied in liquid form to the surface, here the plane formed from the folded and / or compressed electrode ends 1, with the production of a contact layer 2.
  • arc spraying methods used in the contacting according to the invention. These include plasma spraying, a purely thermal coating, low-pressure plasma spraying, the Flame spraying, or the thermal spray method (Lit .: Sulzer Meter DL07A-Ge-7/97).
  • an arrester 3, 7 arranged after folding or compressing of the electrodes ends 1 on the thus formed plane and connected by the arc spraying therefore fixed ⁇ and electrically contacted is.
  • the arc spraying enables firm, mechanically stable and, in particular, also corrosion-free contacting of the individual electrode ends 1 and, if appropriate, also of the conductor 3, 7 in the form of a conductor disc or conductor foil with the plane of the folded and compressed ends 1 thus formed.
  • contact resistance-free or at least one contact resistance-poor contact can be achieved.
  • Electrical contacts formed by contacting by means of arcing are purely metallic connections and contacts. So they point in
  • Arc spraying material used are identical.
  • a further preferred embodiment of the electrode conductor section according to the invention has free areas remaining in the contact layer 2 on the areas treated by arc spraying. This is the escape of any gas that may occur, and particularly during the operation of one Electrode arrester section formed forming gas possible. This prevents inflation of an electrode arrangement or a component such as a battery equipped with it.
  • Another aspect of the present invention is the provision of a battery with an anode, a cathode and a separator, which comprises at least one electrode conductor section according to the invention.
  • the electrode conductor section according to the invention is particularly suitable for lithium-ion batteries or lithium-ion polymer batteries.
  • the shape of the battery according to the invention is not restricted, but can preferably have a cylindrical shape in which the electrode lamellae are designed as a winding cell, as is also shown in FIGS. 1 a, b.
  • An additional aspect of the invention is a method according to the invention for contacting a plurality of electrodes 5, 6 with one another.
  • Arc spraying (thermal coating) for use.
  • the method according to the invention for contacting a plurality of electrodes 5, 6 is characterized by the following steps: Turning or upsetting several electrode ends 1 of the same polarity into a plane transverse to the direction of extension of the electrodes 5, 6, and then
  • a conductor 3, 7 can be arranged and fixed on or on the plane produced by the folding and / or upsetting of the electrode ends 1 before the arc spraying. This enables a firm connection and contacting of the arrester 3, 7 in one step by contacting the individual electrodes 5, 6 with one another.
  • the arrester 3, 7 can be firmly connected and contacted on or on the contact layer 2 by means of soldering or also by means of arc spraying.
  • the arrester 3, 7 can optionally be sandblasted before attachment to the contact layer 2 in order to remove impurities, a passivation layer, an oxide layer or the like, and only then is the step of arc spraying carried out.
  • the material used for arc spraying is preferably identical to the material of the electrodes 5, 6, including the electrode ends 1, or also to that of the arrester 3, 7.
  • the method step of folding or upsetting the electrode ends 1 can, for example, by means of a bolt or stamp.
  • the folding or upsetting of the electrode ends or lamellae 1 can be carried out by pressing from above.
  • the electrode ends or lamellae 1 are preferably folded continuously to one side and, in the case of a cylindrical winding, in particular to the center. This continuous transfer is preferably done from outside to inside using a rolling tool. This creates a surface with more defined slat lengths compared to the upsetting procedure. In this way, a more even surface can be obtained for the formation of the contact by means of arc spraying.
  • each of the electrode ends 1 is folded over and / or compressed in only a part of the electrode arrangement by means of a bolt or stamp.
  • the arrester 3, 7 is thus attached and contacted in the form of a bolt that is in the center of the contact layer or an arrester disk attached to the contact layer only in this area. This simplifies and reduces the cost of contacting all of the electrode ends 1 with one another or the conductor 3, 7 or current collector with all of the electrodes 5, 6. This also ensures that the method according to the invention for contacting a plurality of electrodes 5, 6 with one another is carried out fully automatically.
  • Arc spraying is preferably carried out in the gas stream. This can include, for example, air, CO or other gases preferably used in arc spraying.
  • the arc spraying can preferably be carried out under a protective gas atmosphere which comprises, for example, N 2 or a noble gas such as argon.
  • a protective gas atmosphere which comprises, for example, N 2 or a noble gas such as argon.
  • the protruding electrode fins 1, e.g. a battery cell, are folded and / or compressed.
  • This embodiment is illustrated in Figures 4a, b.
  • the protruding electrode fins 1 of a winding cell e.g. a battery cell
  • a winding cell e.g. a battery cell
  • arresters e.g. Copper bolts 3 or aluminum bolts 7, fixed or fixed in the core or the center of the cell. These bolts are contacted by means of arc spraying with the folded or compressed electrode lamellae 1 (Fig. La, b).
  • the protruding electrode fins 1, e.g. one
  • Example 1 Battery cell, are folded and / or compressed and connected to each other by arc spraying. Then conductors 3, 7 are soldered on.
  • Example 1
  • a winding cell with a diameter of 75 mm was constructed as follows:
  • Anode 5 electrode ends: Cu foil (19 ⁇ m) conductor plate 3: Cu 99.8% (1 mm thickness)
  • Electrode 6 electrode ends: Al foil (19 ⁇ m)
  • Discharge plate 7 AI 99.0% (1 mm thickness)
  • Contact material Al wire: (0 2 mm)
  • the uncoated zone on the electrode lamellae was designed as in FIGS. 1 a and was in each case 10 mm in the center of the winding. In this uncoated zone, the electrode fins (both the anode and the cathode) were compressed.
  • Arc spraying was carried out both when contacting the anode conductor 3 and when contacting the cathode conductor 7 using protective gases (for example N 2 , Ar). Furthermore, the used Arresters 3, 7 sandblasted in the form of arrester disks before arc spraying.
  • protective gases for example N 2 , Ar
  • the contacts obtained were mechanically stable, corrosion-free and showed no loss of electrical conductivity (due to contact resistance).
  • the winding cell contacted in this way showed no failure mechanisms during electrochemical loading and unloading.
  • a winding cell with a diameter of 75 mm was constructed as follows:
  • Anode 5 electrode ends: Cu foil (19 ⁇ m) conductor 3: Cu bolt contacting material: Cu wire: (0 2 mm)
  • Electrode 6 electrode ends: Al foil (19 ⁇ m) conductor 7: Al bolt
  • the uncoated zone on the electrode lamellae was designed as in FIGS. 1b and in each case was 10 mm in the center of the winding. In this uncoated zone, the electrode lamellae (both the anode and the cathode) were folded over towards the center.
  • arc spraying was carried out as in Example 1 with a Cu wire for about 2 to 6 seconds.
  • the arc spraying was carried out with an Al wire.
  • the duration of the arc spraying in this case was also about 2 to 6 seconds.
  • Cathode arrester 7 using protective gases eg N 2 , Ar. Furthermore, the arrester bolts 3, 7 used were sandblasted before arc spraying.
  • the contacts obtained were mechanically stable, corrosion-free and showed no loss of electrical conductivity (due to contact resistance).
  • the winding cell contacted in this way showed no failure mechanisms during electrochemical loading and unloading

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektroden-Ableiter-Abschnitt mit mehreren Elektroden 5, 6 gleicher Polung und einem Ableiter 3, 7, auf eine wenigstens einen erfindungsgemäßen Elektroden-Ableiter-Abschnitt umfassende Batterie, sowie auf ein Verfahren zur Kontaktierung von mehreren Elektroden 5, 6 miteinander. Der erfindungsgemäße Elektroden-Ableiter-Abschnitt ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elektrodenenden 1 gleicher Polung in einer zur Erstreckungsrichtung der Elektroden 5, 6 quer verlaufenden Ebene umgelegt und/oder gestaucht sowie anschließend durch Lichtbogenspritzen behandelt sind, um dadurch eine im Wesentlichen durchgehende Kontaktschicht 2 in dieser Ebene zu bilden, an der ein Ableiter 3, 7 anliegt.

Description

ELEKTRODEN-ABLEITER-ABSCHNITT UND VERFAHREN ZUR KONTAKTIERUNG
VON MEHREREN ELEKTRODEN
Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektroden-Ableiter- Abschnitt mit mehreren Elektroden und einem Abieiter, auf eine wenigstens einen erfindungsgemäßen Elektroden-Ableiter- Abschnitt umfassende Batterie, sowie auf ein Verfahren zur Kontaktierung von mehreren Elektroden miteinander.
Ein wesentliches Kriterium für das einwandfreie Arbeiten von Batterien und ähnlichen Bauelementen ist das Kontaktieren von Elektrodenenden, zum Beispiel von Anodenelektroden bzw. Kathodenelektroden einer Batterie, und von damit verbundenen Ableitern beziehungsweise Stromkollektoren. Dadurch wird die jeweilige Polung zu dem Plus- bzw. Minuspol einer Batterie gewährleistet. Bei dieser Kontaktierung ist dafür Sorge zu tragen, dass kein Verlust der elektrischen Leitfähigkeit von den Elektroden zum Abieiter und vom Abieiter zum jeweiligen Batterie-Pol erfolgt. Außerdem sollte die Kontaktierung der Elektroden untereinander und der Elektroden mit dem Abieiter korrosionsfrei ausgebildet sein.
Die bislang geübte Praxis der Kontaktierung besteht vorzugsweise im Weich- oder Hartlöten und/oder .mechanischem Anpressen oder Anklemmen. Nachteilig sind die bisherigen
Methoden vor allem durch Ausbildung von Lokalelementen, die zu einer Korrosion bzw. mangelhaften Leitfähigkeit, d.h. zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes (Ω) , in den Löt- bzw. Schweißstellen und zu Undefinierten Kontaktflächen führen.
Bei einer anderen Kontaktierungsart, dem Kleben mittels eines leitfähigen Klebers erfolgt neben einem Anstieg des elektrischen Widerstandes auch ein Verspröden der Kontaktierung während des Batteriebetriebes . Beim Ultraschallschweißen erfolgt zum Teil ein Verspröden und in Folge dessen ein Abbrechen der verschweißten (kontaktierten) Ableiter, die häufig als Ableiterfolien ausgebildet sind. Genauer gesagt weisen die Verbindungen der Ableiter mit den Elektroden eine mangelnde mechanische Stabilität auf.
Aus diesen Gründen ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen neuartigen Elektroden-Ableiter-Abschnitt und insbesondere einen in Batterien einsetzbaren Elektroden-Ableiter- Abschnitt mit einer verbesserten Verbindung und
Kontaktierung, sowie ein neues Verfahren zur Kontaktierung von mehreren Elektroden miteinander zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe kann durch einen Elektroden-Ableiter- Abschnitt gemäß Patentanspruch 1, eine Batterie gemäß
Patentanspruch 16 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 20 gelöst werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen der vorliegenden Erfindung mit ihren Vorteilen und Effekten ergeben sich aus den nachfolgend dargelegten Ausführungsformen des Elektroden-Ableiter-Abschnitts, der Batterie und des Verfahrens zur Kontaktierung von Elektroden 5, 6.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Figur la zeigt einen erfindungsgemäßen Elektroden- Ableiter-Abschnitt mit einer aufgelegten Ableiterscheibe 3 im Bereich einer Anode einer Wickelzelle. Die Figur lb zeigt einen erfindungsgemäßen Elektroden- Ableiter-Abschnitt mit einem bolzenförmigen, in der Mitte einer Wickelzelle angeordneten Ableiter 3 im Anodenbereich.
Die Figur 2 zeigt einen Schnitt eines Laminatausschnitts durch eine Wickelzelle vor der Kontaktierung mit vorstehenden Elektrodenenden 1.
Die Figuren 3a und 3b zeigen einen Kupferabieiter 3 auf der Anodenseite beziehungsweise einen Aluminiumabieiter 7 auf der Kathodenseite für den Einsatz in erfindungsgemäßen Elektroden-Ableiter-Abschnitten .
Die Figur 4a zeigt einen Schnitt durch einen Laminatausschnitt einer Batteriezelle, bestehend aus Kathode 6 mit vorstehenden Elektrodenenden 1, Elektrolyt 4 und Anode 5 mit vorstehenden Elektrodenenden 1, in dem die Elektrodenenden 1 auf der Anodenseite der Batteriezelle umgelegt sind.
Die Figur 4b zeigt einen Schnitt durch einen Laminatausschnitt einer Batterie mit einem erfindungsgemäßen Elektroden-Ableiter-Abschnitt .
Die Figuren 5a und 5b zeigen Draufsichten auf erfindungsgemäße Elektroden-Ableiter-Abschnitte einer Wickelzelle. In Figur 5a ist die eine Hälfte der Wickelzellenoberfläche metallgespritzt und in Figur 5b ist die gesamte Wickelzellenoberfläche metallgespritzt.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Elektroden-Ableiter-Abschnitts, der erfindungsgemäßen Batterie und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kontaktierung von Elektroden 5, 6 detaillierter beschrieben.
Der erfindungsgemäße Elektroden-Ableiter-Abschnitt umfasst mehrere Elektroden 5 oder 6 gleicher Polung und einen Ableiter 3 oder 7, wobei mehrere Elektrodenenden 1 gleicher Polung in einer zur Erstreckungsrichtung der Elektroden 5, 6 quer verlaufenden Ebene umgelegt und/oder gestaucht sowie anschließend durch Lichtbogenspritzen behandelt sind, um dadurch eine im Wesentlichen durchgehende Kontaktschicht 2 in dieser Ebene auszubilden, an der ein Ableiter 3, 7 anliegt. Die Kontaktierung der Elektroden 5, 6 miteinander erfolgt somit durch die Ausbildung einer geeigneten Kontaktschicht 2 auf den umgelegten und gestauchten Elektrodenenden 1.
Die in dem erfindungsgemäßen Elektroden-Ableiter-Abschnitt umfassten Elektroden 5, 6 gleicher Polung sind bevorzugt in Form von Lamellen ausgebildet. Hierbei kann es sich um eine zylindrische Wickelung, wie in den Figuren la,b gezeigt ist, eine konzentrische Elektrodenanordnung oder um eine durch Stapelung oder Faltung erzielte Elektrodenanordnung handeln. Insbesondere geeignete und insbesondere bei einer Wickelung bevorzugt eingesetzte Elektrodenabschnitte mit vorstehenden Elektrodenenden 1 sind in Form von leitfähigen Folien ausgebildet.
Bei einer solchen gewickelten, gestapelten oder gefalteten Anordnung von mehreren Elektroden 5, 6 gleicher Polung stehen an einem Ende der Elektrodenanordnung die Enden 1 der Elektrodenlamellen eines Pols vor. Bei Einsatz einer solchen Elektrodenanordnung, zum Beispiel in einer Batterie, ist es bevorzugt den dazugehörigen Satz zweiter Elektroden mit umgekehrter Polung auf der gegenüberliegenden Seite der Elektrodenanordnung und gegebenenfalls erfindungsgemäß auch mit vorstehenden Enden 1 der Elektrodenlamellen mit gleicher Polung vorzusehen.
Ist der erfindungsgemäße Elektroden-Ableiter-Abschnitt in einer zylindrischen Wickelung bereitgestellt, bei der die Elektrodenenden 1 in einer im Wesentlichen kreisförmigen Ebene vorstehen, ist es vorteilhaft nur in einem Sektor dieser Ebene die Elektrodenenden 1 umzulegen und zu stauchen, wie in den Figuren la,b im Bereich der Anode gezeigt ist. Hierbei werden die Elektrodenenden 1 bevorzugt in einer Richtung und insbesondere zur Mitte einer zylindrischen Wickelung hin umgelegt. Diese bevorzugte Umlegetechnik ist in Figur 4a gezeigt.
Dies ermöglicht und vereinfacht die Ausbildung einer ebenen Fläche, die zur Ausbildung einer Kontaktschicht 2 mittels Lichtbogenspritzens behandelt ist, wobei an der
Kontaktschicht 2 ein Ableiter 3, 7 anliegt. Dieser ist bevorzugt im Kern oder der Mitte einer zylindrischen Wickelung oder einer konzentrischen Elektrodenanordnung in einer zu den Elektroden 5, 6 parallel ausgerichteten Ebene angeordnet.
Die Form der Ableiter 3, 7 ist frei wählbar. Jedoch sind die Ableiter 3, 7 in Wickelzellen häufig in Bolzenform ausgebildet, die gegebenenfalls noch mit einem Innen- oder Außengewinde ausgestaltet sein können oder einen Quetschanschluß für Stromkabel oder ähnliches umfassen.
Falls der Ableiter 3, 7 nicht in der Mitte der Wickelung einer zylindrischen Elektrodenanordnung angeordnet ist oder falls die Kontaktierung der einzelnen Elektroden oder Elektrodenlamellen noch verbessert werden soll, kann ein Ableiter 3, 7 in Form einer Ableiterscheibe ausgebildet sein, wie in den Figuren 3a,b exemplarisch gezeigt ist. Diese Ableiterscheibe ist bevorzugt direkt auf den umgelegten und/oder gestauchten Elektrodenenden 1 oder auf der ausgebildeten Kontaktschicht 2 angebracht. Die Verbindung und Kontaktierung der Ableiterscheibe kann durch Lichtbogenspritzen, Anlöten oder dergleichen erfolgen. Bevorzugt ist eine Kontaktierung über Lichtbogenspritzen.
Wahlweise kann der Ableiter 3, 7 auch als eine flexible Litze oder Ableiterfolie ausgebildet sein, um dadurch einen flexiblen Kontakt beispielsweise eines Elektroden-Ableiter- Abschnitts mit einem mit dem Gehäuse einer Batterie feste verbundenen Pol gewährleisten zu können.
Die Materialien der Elektroden 5, 6 inklusive der Elektrodenenden 1 und der Ableiter 3, 7 sind nicht eingeschränkt und sind von der Art und Weise der Verwendung abhängig.
So sind bevorzugte Materialien für die Elektroden 5, 6 und Elektrodenenden 1 Metalle wie Aluminium, Kupfer und dergleichen, Metallfolien oder mit Metallen beschichtete leitfähige Folien, zum Beispiel aus Polymermaterialien oder dergleichen. In Batterien und insbesondere Lithiumionen- Batterien bilden Elektroden aus Aluminium häufig die mit der Kathode verbundenen Elektroden 6 und die aus Kupfer häufig die mit der Anode verbundenen Elektroden 5.
Die Dicke der für die Lamellen 1 verwendeten Metallfolien oder der mit Metallen beschichteten Folien liegt bevorzugt im Bereich von 5 bis 100 μ , weiter bevorzugt von 5 bis 70 μm und noch weiter bevorzugt von 10 bis 40 μm.
Diese sind in einer wie in der Figur 2 gezeigten Laminatanordnung beispielsweise in einem Abstand Dl beziehungsweise D2 von etwa 20 bis 1000 μm, bevorzugt von 30 bis 700 μm und weiter bevorzugt von 50 bis 500 μm angeordnet .
Hierbei beträgt die Länge der gewickelten Elektrodenlamellen, d.h. die Gesamtdistanz des in einer Wicklung gewickelten Verbundsystems, in einer solchen
Wickelzellenanordnung bevorzugt etwa 20 bis 5000 cm, weiter bevorzugt etwa 30 bis 4000 cm und noch weiter bevorzugt 50 bis 3000 cm.
Um eine weitere Elektrochemie innerhalb des Elektroden- Ableiter-Abschnitts zu verhindern sind Vorteilhafterweise die Ableiter 3, 7 aus dem gleichen Material wie die damit verbundenen und kontaktierten Elektroden 5, 6 bzw. Elektrodenenden 1 ausgewählt.
Aus gleichem Grunde ist somit auch die Verwendung des identischen Materials für das beim Lichtbogenspritzen eingesetzte Metall bevorzugt. Jedoch ist jedes elektrochemisch gegenüber dem Elektroden- und Ableitermaterial chemisch und elektrochemisch inerte Metall ebenso geeignet.
Eine wesentliche Verbesserung der Kontaktierung der einzelnen Elektrodenenden 1 wird nach dem Umlegen oder Stauchen durch das Lichtbogenspritzen der erhaltenen Fläche erreicht. Das Lichtbogenspritzen ist ein thermisches Beschichtungsverfahren mit dem Metalle in flüssiger Form auf die Oberfläche, hier die aus den umgelegten und/oder gestauchten Elektrodenenden 1 gebildete Ebene, unter Erzeugung einer Kontaktschicht 2 aufgebracht werden können. Man unterscheidet mehrere bei der erfindungsgemäßen Kontaktierung angewandte Lichtbogenspritzverfahren. Dies sind unter anderem das Plasmaspritzen, eine rein thermische Beschichtung, das Niederdruckplasmaspritzen, das Flammspritzen, oder die Thermospraymethode (Lit.: Firmenschrift Sulzer Meter DL07A-Ge-7/97) .
In dem erfindungsgemäßen Elektroden-Ableiter-Abschnitt wird ein Ableiter 3, 7 nach dem Umlegen oder Stauchen der Elektrodenenden 1 auf der dadurch ausgebildeten Ebene angeordnet und durch das Lichtbogenspritzen damit feste ■ verbunden und elektrisch kontaktiert. Durch das Lichtbogenspritzen kann eine feste, mechanisch stabile und insbesondere auch korrosionsfreie Kontaktierung der einzelnen Elektrodenenden 1 und gegebenenfalls auch des Abieiters 3, 7 in Form einer Ableiterscheibe oder Ableiterfolie mit der dadurch ausgebildeten Ebene der umgelegten und gestauchten Enden 1 erzielt werden.
Ein weiterer Vorteil einer solchen Kontaktierung gegenüber dem bekannten Stand der Technik ist, dass erfindungsgemäß eine Übergangswiderstandsfreie oder mindestens eine Übergangswiderstandsarme Kontaktierung erzielt werden kann. Durch die Kontaktierung mittels Lichtbogenspritzens ausgebildete elektrische Kontakte sind reine metallische Verbindungen und Kontaktierungen. Somit weisen sie im
Wesentlichen keine zusätzliche Elektrochemie auf und haben dadurch geringe oder keine Verluste der elektrischen Widerstände an der Kontaktierungsstelle . Dies gilt insbesondere dann, wenn das Material der Elektrodenlamellen als auch das der Ableiter 3, 7 zu dem beim
Lichtbogenspritzen eingesetzten Material identisch sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektroden-Ableiter-Abschnitts weist auf den durch Lichtbogenspritzen behandelten Bereichen noch verbleibende Freiflächen in der Kontaktschicht 2 auf. Somit ist das Entweichen von eventuell auftretendem Gas und insbesondere von während des Betriebs eines solchen Elektroden-Ableiter-Abschnitts gebildeten Formiergas möglich. Dies verhindert ein Aufblähen einer Elektrodenanordnung oder eines damit ausgestatteten Bauelements wie etwa einer Batterie.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer Batterie mit einer Anode, einer Kathode und einem Separator, die wenigstens einen erfindungsgemäßen Elektroden-Ableiter-Abschnitt umfasst. Insbesondere geeignet ist der erfindungsgemäße Elektroden-Ableiter-Abschnitt für Lithiumionen-Batterie oder Lithiumionen-Polymer-Batterien. Die Form der erfindungsgemäßen Batterie ist nicht beschränkt, kann aber bevorzugt eine zylindrische Form aufweisen, in der die Elektrodenlamellen als Wickelzelle ausgebildet sind, wie auch in den Figuren la,b gezeigt ist.
Durch Anwendung eines oder mehrerer erfindungsgemäßer Elektroden-Ableiter-Abschnitte kommt es bei den elektrochemischen Be- und Entladungen in Sekundärbatterien zu keinen Versagensmechanismen. Dies führt zu einer verbesserten Be- und Entladecharakteristik, die sich ebenso in einer höheren Lebenserwartung der erfindungsgemäßen Batterie wiederspiegelt.
Ein zusätzlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kontaktierung von mehreren Elektroden 5, 6 miteinander. Für die neue erfindungsgemäße Kontaktierung kommt insbesondere das Verfahren des
Lichtbogenspritzens (thermische Beschichtung) zur Anwendung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kontaktierung von mehreren Elektroden 5, 6, ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet : Umlegen oder Stauchen von mehreren Elektrodenenden 1 gleicher Polung in eine zur Erstreckungsrichtung der Elektroden 5, 6 quer verlaufenden Ebene, und anschließend
Lichtbogenspritzen der umgelegten oder gestauchten Elektrodenenden 1.
Gegebenenfalls kann vor dem Lichtbogenspritzen ein Ableiter 3, 7 auf oder an der durch das Umlegen und/oder Stauchen der Elektrodenenden 1 erzeugten Ebene angeordnet und fixiert werden. Dies ermöglicht eine feste Verbindung und Kontaktierung des Ableiters 3, 7 in einem Schritt mit dem Kontaktieren der einzelnen Elektroden 5, 6 miteinander.
Jedoch kann der Ableiter 3, 7 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach dem Lichtbogenspritzen der durch Umlegen und Stauchen ausgebildeten Ebene in einem zusätzlichem Schritt mittels Anlöten oder ebenfalls mittels Lichtbogenspritzens an oder auf der Kontaktschicht 2 feste verbunden und kontaktiert werden.
Zur weiteren Verbesserung der Kontaktierung kann der Ableiter 3, 7 gegebenenfalls vor dem Anbringen an die Kontaktschicht 2 sandgestrahlt werden, um Verunreinigungen, eine Passivierungsschicht, eine Oxidschicht oder dergleichen zu entfernen, und dann wird erst der Schritt des Lichtbogenspritzens durchgeführt.
Das zum Lichtbogenspritzen verwendet Material ist bevorzugt identisch zu dem Material der Elektroden 5, 6, umfassend die Elektrodenenden 1, beziehungsweise ebenso zu dem des Ableiters 3, 7.
Der Verfahrensschritt des Umlegens oder Stauchens der Elektrodenenden 1 kann beispielsweise mittels eines Bolzens oder Stempels erfolgen. In einer geeigneten Verfahrensweise kann das Umlegen beziehungsweise Stauchen der Elektrodenenden bzw. -lamellen 1 durch Verpressen von oben erfolgen. Bevorzugt werden die Elektrodenenden oder -lamellen 1 jedoch kontinuierlich zu einer Seite hin und bei einer zylindrischen Wickelung insbesondere zur Mitte hin umgelegt. Diese kontinuierliche Umlegung erfolgt bevorzugt über ein rollendes Werkzeug von Außen nach Innen. Somit entsteht eine Fläche mit definierteren Lamellenlängen im Vergleich zu der Vorgehensweise des Stauchens. Somit kann eine ebenere Fläche für die Ausbildung des Kontakts mittels Lichtbogenspritzens erhalten werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nur in einem Teil der Elektrodenanordnung jedes der Elektrodenenden 1 mittels eines Bolzens oder Stempels umgelegt und/oder gestaucht. Die Anbringung und Kontaktierung des Ableiters 3, 7 in Form eines mittig an die Kontaktschicht anliegenden Bolzens oder einer an die Kontaktschicht angebrachten Ableiterscheibe erfolgt somit nur in diesem Bereich. Dies vereinfacht und verbilligt die Kontaktierung aller Elektrodenenden 1 miteinander oder des Ableiters 3, 7 beziehungsweise Stromkollektors mit allen Elektroden 5, 6. Auch eine vollautomatische Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kontaktierung mehrerer Elektroden 5, 6 miteinander kann dadurch gewährleistet werden .
Bevorzugt erfolgt das Lichtbogenspritzen im Gasstrom. Dieser kann beispielsweise Luft, C0 oder andere bevorzugt im Lichtbogenspritzen angewandte Gase umfassen.
Jedoch kann das Lichtbogenspritzen vorzugsweise unter einer Schutzgasatmosphäre, die beispielsweise N2 oder ein Edelgas wie Argon umfasst, durchgeführt werden. Hierbei gelingt die Ausbildung von weiter verbesserten elektrischen Kontakten. Diese sind insbesondere mechanisch stabil, korrosionsfrei und Übergangswiderstandsarm beziehungsweise -frei.
Im Folgenden werden insbesondere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kontaktierung von Elektroden 5, 6 kurz erläutert. Man unterschiedet folgende unterschiedlichen Ausführungsformen:
1. Die überstehenden Elektrodenlamellen 1, z.B. einer Batteriezelle, werden umgelegt und/oder gestaucht. Danach werden Ableiter 3, 7, z.B. eine Aluminium- oder Kupferlitze, auf der aus den umgelegten und/oder gestauchten Lamellen ausgebildeten Ebene fixiert und durch Lichtbogenspritzen befestigt und gleichzeitig kontaktiert. Diese Ausführungsform ist in den Figuren 4a,b veranschaulicht.
2. Die überstehenden Elektrodenlamellen 1 einer Wickelzelle, z.B. einer Batteriezelle, werden zur Mitte hin umgelegt und/oder gestaucht und werden anschließend durch Lichtbogenspritzen miteinander verbunden. Danach werden Ableiter, z.B. Kupferbolzen 3 oder Aluminiumbolzen 7, im Kern oder der Zellmitte befestigt oder fixiert. Diese Bolzen werden mittels Lichtbogenspritzens mit den umgelegten oder gestauchten Elektrodenlamellen 1 kontaktiert (Fig. la,b) .
3. Die überstehenden Elektrodenlamellen 1, z.B. einer
Batteriezelle, werden umgelegt und/oder gestaucht und durch Lichtbogenspritzen miteinander verbunden. Danach werden Ableiter 3, 7 angelötet. Beispiel 1 :
Eine Wickelzelle mit einem Durchmesser von 75 mm war folgendermaßen aufgebaut :
1.) Anode 5: Elektrodenenden: Cu-Folie (19 μm) Ableiterscheibe 3: Cu 99,8 %ig (1 mm Stärke)
Kontaktierungsmaterial : Cu-Draht: (0 2 mm)
2.) Kathode 6: Elektrodenenden: AI-Folie (19 μm)
Ableiterscheibe 7: AI 99,0 %ig (1 mm Stärke) Kontaktierungsmaterial: AI-Draht: (0 2 mm)
Die unbeschichtete Zone auf den Elektrodenlamellen war wie in den Figuren la ausgebildet und betrug jeweils 10 mm in der Wickelungsmitte. In dieser unbeschichteten Zone wurden die Elektrodenlamellen (jeweils der Anode .als auch der Kathode) gestaucht.
Im nächsten Schritt wurde auf der somit ausgebildeten
Fläche der gestauchten Elektrodenlamellen 1 der Anodenseite und Kathodenseite jeweils die vorstehend definierte Ableiterscheibe 3, 7 aufgebracht und mittels Lichtbogenspritzens feste kontaktiert. Das Lichtbogenspritzen erfolgte im Falle der Anode 5 mit einem Cu-Draht über etwa 2 bis 6 Sekunden. Im Falle der Kathode 6 wurde das Lichtbogenspritzen mit einem Al-Draht durchgeführt. Die Zeitdauer des Lichtbogenspritzens betrug in diesem Fall ebenso etwa 2 bis 6 Sekunden.
Das Lichtbogenspritzen wurde sowohl bei der Kontaktierung des Anodenableiters 3 als auch der Kontaktierung des Kathodenableiters 7 unter Anwendung von Schutzgasen (z.B. N2, Ar) durchgeführt. Weiterhin wurden die verwendeten Ableiter 3, 7 in Form von Ableiterscheiben vor dem Lichtbogenspritzen sandgestrahlt .
Die erhaltenen Kontakte waren mechanisch stabil, korrosionsfrei und zeigten keine Verluste an elektrischer Leitfähigkeit (durch Übergangswiderstände) . Die so kontaktierte Wickelzelle zeigte bei der elektrochemischen Be- und Entladung keine Versagensmechanismen.
Beispiel 2:
Eine Wickelzelle mit einem Durchmesser von 75 mm war folgendermaßen aufgebaut:
1.) Anode 5: Elektrodenenden: Cu-Folie (19 μm) Ableiter 3: Cu-Bolzen Kontaktierungsmaterial: Cu-Draht: (0 2 mm)
2.) Kathode 6: Elektrodenenden: Al-Folie (19 μm) Ableiter 7: AI-Bolzen
Kontaktierungsmaterial: AI-Draht: (0 2 mm)
Die unbeschichtete Zone auf den Elektrodenlamellen war wie in den Figuren 1b ausgebildet und betrug jeweils 10 mm in der Wickelungsmitte. In dieser unbeschichteten Zone wurden die Elektrodenlamellen (jeweils der Anode als auch der Kathode) zur Mitte hin umgelegt.
Im nächsten Schritt wurde in der Zellmitte von der einen Seite der Wickelzelle der Ableiterbolzen 7 der Kathode 6 und von der anderen Seite der Ableiterbolzen 3 der Anode 5 eingeführt und fixiert, wie in Fig. lb gezeigt ist.
Danach erfolgte mittels Lichtbogenspritzens ein festes Verbinden und ein elektrisches Kontaktieren der Bolzen mit den jeweiligen umgelegten Elektrodenlamellen der Elektroden gleicher Polung, sowie eine Kontaktierung der umgelegten Lamellenenden miteinander.
Im Falle der Anode erfolgte das Lichtbogenspritzen wie in Beispiel 1 mit einem Cu-Draht über etwa 2 bis 6 Sekunden. Im Falle der Kathode wurde das Lichtbogenspritzen mit einem AI- Draht durchgeführt. Die Zeitdauer des Lichtbogenspritzens betrug in diesem Fall ebenso etwa 2 bis 6 Sekunden.
Das Lichtbogenspritzen erfolgte sowohl bei der Kontaktierung des Anodenableiters 3 als auch der Kohntaktierung des
Kathodenableiters 7 unter Anwendung von Schutzgasen (z.B. N2, Ar) . Weiterhin wurden die verwendeten Ableiterbolzen 3, 7 vor dem Lichtbogenspritzen sandgestrahlt.
Die erhaltenen Kontakte waren mechanisch stabil, korrosionsfrei und zeigten keine Verluste an elektrischer Leitfähigkeit (durch Übergangswiderstände) . Die so kontaktierte Wickelzelle zeigte bei der elektrochemischen Be- und Entladung keine Versagensmechanismen

Claims

Patentansprüche
1. Elektroden-Ableiter-Abschnitt mit mehreren Elektroden oder Elektrodenlamellen gleicher Polung und einem Ableiter (3; 7) , in dem die Elektrodenenden (1) in einer zur
Erstreckungsrichtung der Elektroden (5; 6) quer verlaufenden Ebene umgelegt und/oder gestaucht sowie anschließend durch Lichtbogenspritzen behandelt sind, um dadurch eine im Wesentlichen durchgehende Kontaktschicht (2) in dieser Ebene zu bilden, an der ein Ableiter (3; 7) anliegt.
2. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter (3; 7) in Form einer Ableiterscheibe auf der Kontaktschicht (2) ausgebildet ist.
3. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter (3; 7) direkt auf den umgelegten oder gestauchten Elektrodenenden (1) aufliegt und mit diesen zusammen von der durch Lichtbogenspritzen erzeugten Kontaktschicht (2) bedeckt ist.
4. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter (3; 7) eine flexible Litze oder Ableiterfolie ist.
5. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenenden (1) als Lamellen ausgebildet sind.
6. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenenden (1) in Form von leitfähigen Folien ausgebildet sind.
7. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenenden (1) in einer zylindrischen Wicklung oder konzentrisch zueinander angeordnet sind.
8. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenenden (1) in einer im Wesentlichen kreisförmigen Ebene vorstehen und nur in einem Sektor der Ebene umgelegt und gestaucht sind.
9. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenenden (1) in einer Richtung und insbesondere zur Mitte der zylindrischen Wickelung oder der konzentrischen Anordnung hin umgelegt sind.
10. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter (3; 7) im Kern der zylindrischen Wickelung oder der konzentrischen Anordnung angeordnet ist und seitlich an der Kontaktschicht (2) anliegt.
11. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter (3; 7) in Bolzenform ausgebildet ist.
12. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenenden (1) , der Ableiter (3; 7) und das lichtbogengespritzte Metall aus identischem Material bestehen.
13. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Lichtbogenspritzen noch Freiflächen in der Kontaktschicht (2) verbleiben.
14. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (6) die Kathode einer Batterie ausbilden und das Elektrodenmaterial Aluminium ist.
15. Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (5) die Anode einer Batterie ausbilden und das Elektrodenmaterial Kupfer ist.
16. Batterie, umfassend eine Anode, eine Kathode und einen Separator, wobei die Anode und/oder Kathode einen Elektroden-Ableiter-Abschnitt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist.
17. Batterie gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Sekundärbatterie ist.
18. Batterie gemäß Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Lithium-Batterie oder eine Lithiumionen-Polymer-Batterie ist . _
19. Batterie gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Form einer Wickelzelle ausgebildet ist.
20. Verfahren zur Kontaktierung von mehreren Elektroden (5; 6), das die folgenden Schritte umfasst:
Umlegen oder Stauchen von mehreren Elektrodenenden (1) gleicher Polung in eine zur Erstreckungsrichtung der Elektroden (5; 6) quer verlaufenden Ebene, und anschließend
Lichtbogenspritzen der umgelegten oder gestauchten Elektrodenenden (1) unter Erzeugung einer KontaktSchicht (2) .
21. Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Lichtbogenspritzen ein Ableiter (3; 7) auf oder an der durch das Stauchen und Umlegen der Elektrodenenden (1) gebildeten Ebene angeordnet ist.
22. Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ableiter (3; 7) nach dem Lichtbogenspritzen mittels Löten oder Lichtbogenspritzen mit der Kontaktschicht (2) verbunden und kontaktiert wird.
23. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Lichtbogenspritzen verwendete Material identisch zu dem Material der Elektroden (5; 6) und/oder des Ableiters (3; 7) ist.
24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter (3; 7) sandgestrahlt wird, bevor er mit der Kontaktschicht (2) kontaktiert und zusammen mit dieser durch Lichtbogenspritzen behandelt wird.
25. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenenden (1) mittels einer Rolle, eines Bolzens oder eines Stempels zu einer Seite hin umgelegt werden und bei einer zylindrischen Wickelung insbesondere zur Mitte hin umgelegt werden.
26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenenden (1) mittels eines Bolzens oder Stempels gestaucht werden.
27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass nur in einem Teil der Elektrodenanordnung die jeweiligen Elektrodenenden (1) mittels eines Bolzens oder Stempels umgelegt und/oder gestaucht werden.
28. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbogenspritzen im Gasstrom erfolgt.
29. Verfahren gemäß Anspruch 28, wobei der Gasstrom Luft und/oder C0 umfasst.
30. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbogenspritzen unter Schutzgas durchgeführt wird.
31. Verfahren gemäß Anspruch 30, wobei das Schutzgas aus N2 oder einem Edelgas ausgewählt ist.
32. Verfahren gemäß Anspruch 30 oder 31, wobei das Schutzgas Ar umfasst.
33. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass beim Lichtbogenspritzen noch Freiflächen in der Kontaktschicht (2) verbleiben.
34. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 33 zur Bereitstellung eines Elektroden-Ableiter-Abschnitts gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15.
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