WO2018015056A1 - Verfahren zur herstellung einer elektrodeneinheit für eine batteriezelle und elektrodeneinheit - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer elektrodeneinheit für eine batteriezelle und elektrodeneinheit Download PDF

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WO2018015056A1
WO2018015056A1 PCT/EP2017/063049 EP2017063049W WO2018015056A1 WO 2018015056 A1 WO2018015056 A1 WO 2018015056A1 EP 2017063049 W EP2017063049 W EP 2017063049W WO 2018015056 A1 WO2018015056 A1 WO 2018015056A1
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layer
active material
material layer
separator
electrode unit
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PCT/EP2017/063049
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Inventor
Harald Bauer
Armin Glock
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an electrode unit for a battery cell, wherein a first active material layer is fixed to a vacuum unit by means of negative pressure, and a separator layer is fixed by vacuum on the first active material layer, whereby a composite layer is formed, which is supplied to a layer stack.
  • the invention also relates to an electrode unit for a battery cell, which after the
  • Electrical energy can be stored by means of batteries. Batteries convert chemical reaction energy into electrical energy. Here are batteries.
  • Primary batteries and secondary batteries distinguished. Primary batteries are only functional once, while secondary batteries, also referred to as accumulators, are rechargeable. In particular, so-called lithium-ion battery cells are used in an accumulator. These are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge.
  • Lithium-ion battery cells have a positive electrode, also known as
  • Cathode is called, and a negative electrode, which is also referred to as anode on.
  • the cathode and the anode each include one
  • Battery cell are formed like a film and with the interposition of a
  • Such an electrode unit is designed, for example, as an electrode stack in which a plurality of plate-shaped layers of anode, cathode and separator are stacked on top of one another.
  • An electrode unit may also be referred to as
  • Electrode winding wherein the anode, the cathode and the separator are present as band-shaped strips and wound to the electrode winding.
  • the two electrodes of the electrode unit are electrically connected to poles of the battery cell, which are also referred to as terminals.
  • the electrodes and separator are surrounded by a generally liquid electrolyte.
  • the battery cell further comprises a cell housing, which is made of aluminum, for example.
  • the cell housing is usually prismatic, in particular cuboid, designed and pressure-resistant. But other forms of housing, such as circular cylindrical, or flexible pouch cells are known.
  • the anode, the cathode and the separator must be positioned relatively exactly to each other. In particular, the handling of limp separators is relatively expensive.
  • a method for producing electrodes for an electrode unit is known, for example, from WO 2005/008807 A2.
  • Electrode unit known. In this case, electrode layers as well
  • US 2013/0298389 discloses a method for producing a
  • Electrode stack In this case, electrode layers and separator layers are alternately taken up by one or more vacuum units and deposited on the electrode stack. Disclosure of the invention
  • Active material layer is fixed by means of negative pressure from a vacuum unit, and a Separator für is fixed by means of negative pressure on the first active material layer.
  • Separator layer is formed a composite layer which is free of a metallic current collector.
  • the composite layer thus formed is then fed to a stack of layers which contains at least one metallic current collector.
  • the first active material layer of the composite layer may be a cathodic active material layer or anodic
  • the at least one metallic current conductor may be a current conductor of the cathode or a current conductor of the anode.
  • the first active material layer of the composite layer preferably has a higher air permeability than the separator layer of the composite layer.
  • the first active material layer is the composite layer
  • the separator layer in the formation of the composite layer, is sucked by the vacuum unit through the first active material layer.
  • the separator layer laterally a
  • the supernatant of the separator layer is sucked by the vacuum unit.
  • the first current collector is a current collector of the anode. If the first
  • Active material layer is a cathodic active material layer, so the first current collector is a current collector of the cathode.
  • the formed composite layer is supplied to the layer stack such that the separator layer of the composite layer is deposited directly on a second active material layer.
  • the second active material layer in this case has an opposite polarity to the first active material layer of the composite layer.
  • the second active material layer is a cathodic active material layer. If the first active material layer of the composite layer is a cathodic active material layer, then the second is
  • Active material layer an anodic active material layer.
  • the separator layer of the composite layer is thus thus between an anodic active material layer.
  • the second active material layer is preferably on a second
  • the second active material layer is an anodic active material layer, then the second current collector is a
  • the second current collector is a current collector of the cathode. According to a possible embodiment of the invention, the formation of the
  • Composite layer, the first active material layer and the separator layer supplied as plate-shaped layers of the vacuum unit.
  • the first active material layer and the separator layer are fed as band-shaped strips of the vacuum unit for forming the composite layer.
  • an electrode unit for a battery cell which is produced by the method according to the invention.
  • An electrode unit according to the invention advantageously finds use in a battery cell in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), in a plug-in hybrid vehicle (PHEV) or in a consumer electronics
  • Consumer electronics products are in particular mobile phones, tablet PCs or notebooks.
  • Electrode unit for a battery cell with relatively little effort and in a relatively short cycle time feasible In particular, the handling of the relatively thin and pliable separator layers is advantageously simplified. Furthermore, the risk of damaging the thin and limp separator layers during production of the electrode unit is advantageously reduced.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a battery cell
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the formation of a composite layer according to a first embodiment
  • Figure 3 is a side view of a layer stack according to the first
  • Figure 4 is a side view of a layer stack according to a second
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a battery cell 2
  • Battery cell 2 comprises a housing 3, which is prismatic, in the present cuboid, is formed.
  • the housing 3 is designed to be electrically conductive and manufactured, for example, from aluminum.
  • the battery cell 2 comprises a negative terminal 11 and a positive terminal 12. Via the terminals 11, 12, a voltage provided by the battery cell 2 can be tapped off. Furthermore, the battery cell 2 can also be charged via the terminals 11, 12.
  • an electrode unit 10 is arranged, which, for example, as an electrode stack or as
  • the electrode unit 10 has two electrodes, namely an anode 21 and a cathode 22.
  • the anode 21 and the cathode 22 are each designed like a foil and by separator layers 18, 19th separated from each other.
  • the separator layers 18, 19 are ionically conductive, that is permeable to lithium ions.
  • the anode 21 comprises an anodic active material layer 41 and a current conductor 31.
  • the current conductor 31 of the anode 21 is made electrically conductive and made of a metal, for example of copper.
  • the current conductor 31 of the anode 21 is electrically connected to the negative terminal 11 of the battery cell 2.
  • the cathode 22 comprises a cathodic active material layer 42 and a current conductor 32.
  • the current conductor 32 of the cathode 22 is made electrically conductive and made of a metal, for example aluminum.
  • the current collector 32 of the cathode 22 is electrically connected to the positive terminal 12 of the battery cell 2.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the formation of a composite layer 60 according to a first embodiment.
  • the composite layer 60 thus formed is later fed to a layer stack 50, not shown here, and the layer stack 50 is further processed to the electrode unit 10.
  • a plate-shaped sheet of the anodic active material layer 41 is supplied to a vacuum unit 70.
  • the anodic active material layer 41 is fixed by vacuum from the vacuum unit 70.
  • the anodic active material layer 41 forms a first one
  • Active material layer, and the cathodic active material layer 42 forms a second active material layer.
  • the cathodic active material layer 42 may form the first active material layer
  • the anodic active material layer 41 may form the second active material layer. This applies to the first embodiment as well as the second
  • the first separator layer 18 is by means of negative pressure of the
  • Vacuum unit 70 is fixed on the anodic active material layer 41.
  • the first separator layer 18 is sucked in by the vacuum unit 70 through the anodic active material layer 41.
  • the anodic active material layer 41 and the first separator layer 18 form the composite layer 60.
  • the plate-like layers of the first separator layer 18 are cut such that they have a lateral projection over the plate-shaped layers of the associated anodic active material layer 41.
  • the composite layer 60 thus formed is then the one in Figure 3 in a
  • the layer stack 50 initially comprises a layer of the cathodic active material layer 42, which is arranged on a current conductor 32 of the cathode 22.
  • the current conductor 32 of the cathode 22 forms a second
  • the current conductor 31 of the anode 21 may form the first current collector, and the current collector 32 of the cathode 22 may form the second current collector. This is true for the first one
  • the composite layer 60 is supplied to the layer stack 50 such that the first separator layer 18 is deposited directly on the cathodic active material layer 42.
  • the first separator layer 18 of the composite layer 60 is thus deposited on a side of the cathodic active material layer 42 facing away from the current conductor 32 of the cathode 22.
  • the first separator layer 18 of the composite layer 60 is then disposed between the anodic active material layer 41 of the composite layer 60 and the cathodic active material layer 42 in the layer stack 50.
  • Active material layer 42 is formed.
  • the further composite layer 60 is fed to the layer stack 50 such that the second separator layer 19 is deposited directly on the anodic active material layer 41.
  • the second separator layer 19 of the further composite layer 60 is then arranged between the cathodic active material layer 42 of the further composite layer 60 and the anodic active material layer 41 in the layer stack 50.
  • Active material layers 42 are arranged. Only at one end of the
  • Layer stack 50 arranged current conductors 31, 32 adjoin only an active material layer 41, 42 at.
  • Active material layers 41 form the anode 21.
  • the current conductors 32 of the cathode 22 and the adjacent cathodic active material layers 42 form the cathode 22.
  • Between the anode 21 and the cathode 22 is in each case one
  • the current conductors 31 of the anode 21 in the layer stack 50 are electrically connected together, and the current conductors 32 of the cathode 22 in the layer stack 50 are electrically connected to each other. This results in the electrode unit 10, which is then designed as an electrode stack.
  • FIG. 4 shows a side view of a layer stack 50 according to a second embodiment during the production process.
  • This will be an anodic Active material layer 41 and the first separator 18 are each supplied as a band-shaped strip of a first vacuum unit 70, and a further anodic active material layer 41 and the second separator layer 19 are each supplied as a band-shaped strips of a second vacuum unit 70.
  • the layer stack 50 is thus in the present case designed as a continuous band-shaped strip.
  • the two vacuum units 70 can, similar to the first
  • Embodiment shown in Figure 2 a flat suction region, on which the anodic active material layers 41 and the
  • the two vacuum units 70 may also be formed, for example, as revolving, cylindrical drums, wherein in each case the circumference of the cylindrical
  • Drums represents the intake of the two vacuum units 70.
  • the first vacuum unit 70 sucks the first separator layer 18 through the anodic active material layer 41, thereby forming a composite layer 60.
  • the second vacuum unit 70 sucks through the anodic
  • the two composite layers 60 are then together with the current conductor
  • Composite layers 60 are arranged.
  • Composite layers 60 then form the anode 21.
  • a counterelectrode in this case the cathode 22.
  • the cathode 22 includes the current conductor
  • the cathode 22 is supplied to the layer stack 50 such that one of the two cathodic active material layers 42 on the second
  • Separator layer 19 is deposited by one of the two composite layers 60. Subsequently, the layer stack 50 formed as a continuous band-shaped strip is wound into an electrode winding, which forms the
  • Electrode unit 10 forms.
  • the layer stack 50 is produced in a continuous process.
  • the layer stack 50 is produced stepwise in a batch process.
  • the individual band-shaped strips of the separators 18, 19 as well as the anodic active material layers 41, the current conductor 31 of the anode 21 and also the cathode 22 may have perforations perpendicular to their direction of movement, at which the corresponding band-shaped strips in the layer stack 50 later split into plate-shaped layers can be.
  • individual band-shaped strips or else the entire layer stack 50 can be cut at cutting lines, not shown here and running at right angles to the direction of movement.
  • the layer stack 50 is further processed into an electrode stack constituting the electrode unit 10.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, wobei eine erste Aktivmaterialschicht (41, 42) mittels Unterdruck an einer Vakuumeinheit (70) fixiert wird, und eine Separatorschicht (18, 19) mittels Unterdruck auf der ersten Aktivmaterialschicht (41, 42) fixiert wird, wodurch eine Verbundschicht (60) gebildet wird, welche frei von einem metallischen Stromableiter (31, 32) ist, und wobei die Verbundschicht (60) einem Schichtenstapel (50) zugeführt wird, welchermindestens einen metallischen Stromableiter (31, 32) enthält. Die Erfindung betrifft auch eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

Description

Beschreibung Titel Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle und
Elektrodeneinheit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, wobei eine erste Aktivmaterialschicht mittels Unterdruck an einer Vakuumeinheit fixiert wird, und eine Separatorschicht mittels Unterdruck auf der ersten Aktivmaterialschicht fixiert wird, wodurch eine Verbundschicht gebildet wird, welche einem Schichtenstapel zugeführt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, welche nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Stand der Technik
Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden
Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als
Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen
Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Die Elektroden der
Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage eines
Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, zu einer
Elektrodeneinheit zusammengefügt. Eine solche Elektrodeneinheit ist beispielsweise als Elektrodenstapel ausgeführt, bei dem mehrere plattenförmige Lagen von Anode, Kathode und Separator übereinander geschichtet sind. Eine Elektrodeneinheit kann auch als
Elektrodenwickel ausgeführt sein, wobei die Anode, die Kathode und der Separator als bandförmige Streifen vorliegen und zu dem Elektrodenwickel gewunden werden.
Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit sind elektrisch mit Polen der Batteriezelle verbunden, welche auch als Terminals bezeichnet werden. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben. Die Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist. Das Zellengehäuse ist in der Regel prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Aber auch andere Gehäuseformen, beispielsweise kreiszylindrisch, oder auch flexible Pouchzellen, sind bekannt.
Die Anode, die Kathode und der Separator müssen verhältnismäßig exakt zueinander positioniert werden. Dabei ist insbesondere die Handhabung von biegeschlaffen Separatoren verhältnismäßig aufwendig.
Ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden für eine Elektrodeneinheit ist beispielsweise aus der WO 2005/008807 A2 bekannt.
Aus der US 2012/0276435 ist ein Verfahren zur Herstellung einer
Elektrodeneinheit bekannt. Dabei werden Elektrodenschichten sowie
Separatorschichten der Elektrodeneinheit beim Zusammenfügen auf einer Vakuumeinheit fixiert.
Die US 2013/0298389 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines
Elektrodenstapels. Dabei werden Elektrodenschichten sowie Separatorschichten abwechselnd von einer oder mehreren Vakuumeinheiten aufgenommen und auf den Elektrodenstapel abgelegt. Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine
Batteriezelle vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird dabei eine erste
Aktivmaterialschicht mittels Unterdruck von einer Vakuumeinheit fixiert, und eine Separatorschicht wird mittels Unterdruck auf der ersten Aktivmaterialschicht fixiert. Durch das Zusammenfügen der Aktivmaterialschicht und der
Separatorschicht wird eine Verbundschicht gebildet, welche frei von einem metallischen Stromableiter ist. Die so gebildete Verbundschicht wird dann einem Schichtenstapel zugeführt, welcher mindestens einen metallischen Stromableiter enthält.
Bei der ersten Aktivmaterialschicht der Verbundschicht kann es sich dabei um eine kathodische Aktivmaterialschicht oder um eine anodische
Aktivmaterialschicht handeln. Ebenso kann es sich bei dem mindestens einen metallischen Stromableiter um einen Stromableiter der Kathode oder um einen Stromableiter der Anode handeln.
Die erste Aktivmaterialschicht der Verbundschicht weist bevorzugt eine höhere Luftdurchlässigkeit auf als die Separatorschicht der Verbundschicht.
Insbesondere ist die erste Aktivmaterialschicht der Verbundschicht
verhältnismäßig porös ausgebildet, und die Separatorschicht der Verbundschicht verhältnismäßig luftundurchlässig ausgebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Bildung der Verbundschicht die Separatorschicht von der Vakuumeinheit durch die erste Aktivmaterialschicht hindurch angesaugt.
Alternativ ist es auch denkbar, dass die Separatorschicht seitlich einen
Überstand über die erste Aktivmaterialschicht aufweist, und dass bei der Bildung der Verbundschicht der Überstand der Separatorschicht von der Vakuumeinheit angesaugt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein erster
Stromableiter auf die erste Aktivmaterialschicht der Verbundschicht abgelegt. Wenn die erste Aktivmaterialschicht eine anodische Aktivmaterialschicht ist, so ist der erste Stromableiter ein Stromableiter der Anode. Wenn die erste
Aktivmaterialschicht eine kathodische Aktivmaterialschicht ist, so ist der erste Stromableiter ein Stromableiter der Kathode.
Vorzugsweise wird die gebildete Verbundschicht derart dem Schichtenstapel zugeführt, dass die Separatorschicht der Verbundschicht unmittelbar auf einer zweiten Aktivmaterialschicht abgelegt wird. Die zweite Aktivmaterialschicht weist dabei eine der ersten Aktivmaterialschicht der Verbundschicht entgegengesetzte Polarität auf.
Wenn die erste Aktivmaterialschicht der Verbundschicht beispielsweise eine anodische Aktivmaterialschicht ist, so ist die zweite Aktivmaterialschicht eine kathodische Aktivmaterialschicht. Wenn die erste Aktivmaterialschicht der Verbundschicht eine kathodische Aktivmaterialschicht ist, so ist die zweite
Aktivmaterialschicht eine anodische Aktivmaterialschicht. Die Separatorschicht der Verbundschicht ist somit also zwischen einer anodischen
Aktivmaterialschicht und einer kathodischen Aktivmaterialschicht in dem
Schichtenstapel angeordnet.
Die zweite Aktivmaterialschicht ist dabei bevorzugt auf einem zweiten
Stromableiter angeordnet, und die Separatorschicht der Verbundschicht wird auf einer dem zweiten Stromableiter abgewandten Seite der zweiten
Aktivmaterialschicht abgelegt. Wenn die zweite Aktivmaterialschicht eine anodische Aktivmaterialschicht ist, so ist der zweite Stromableiter ein
Stromableiter der Anode. Wenn die zweite Aktivmaterialschicht eine kathodische Aktivmaterialschicht ist, so ist der zweite Stromableiter ein Stromableiter der Kathode. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung werden zur Bildung der
Verbundschicht die erste Aktivmaterialschicht und die Separatorschicht als plattenförmige Lagen der Vakuumeinheit zugeführt. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Ausdehnung einer Lage in eine Längsrichtung annähernd gleich groß, insbesondere mindestens halb so groß und höchstens doppelt so groß, ist wie eine Ausdehnung der Lage in eine Querrichtung, welche rechtwinklig zu der Längsrichtung orientiert ist.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden zur Bildung der Verbundschicht die erste Aktivmaterialschicht und die Separatorschicht als bandförmige Streifen der Vakuumeinheit zugeführt. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Ausdehnung eines Streifens in die Längsrichtung deutlich größer ist als eine Ausdehnung des Streifens in die Querrichtung. Es wird auch eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle vorgeschlagen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit findet vorteilhaft Verwendung in einer Batteriezelle in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer- Elektronik-
Produkt. Unter Consumer-Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen.
Vorteile der Erfindung
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist die Herstellung einer
Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle mit verhältnismäßig geringem Aufwand und in verhältnismäßig kurzer Taktzeit durchführbar. Insbesondere ist die Handhabung der relativ dünnen und biegeschlaffen Separatorschichten vorteilhaft vereinfacht. Weiterhin ist die Gefahr der Beschädigung der dünnen und biegeschlaffen Separatorschichten bei Herstellung der Elektrodeneinheit vorteilhaft verringert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
Figur 2 eine schematische Darstellung zur Bildung einer Verbundschicht gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 3 eine Seitenansicht eines Schichtenstapels gemäß der ersten
Ausführungsform und
Figur 4 eine Seitenansicht eines Schichtenstapels gemäß einer zweiten
Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2. Die
Batteriezelle 2 umfasst ein Gehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Gehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt.
Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
Innerhalb des Gehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit 10 angeordnet, welche beispielsweise als Elektrodenstapel oder als
Elektrodenwickel ausgeführt ist. Die Elektrodeneinheit 10 weist zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, auf. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und durch Separatorschichten 18, 19 voneinander separiert. Die Separatorschichten 18, 19 sind ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
Die Anode 21 umfasst eine anodische Aktivmaterialschicht 41 und einen Stromableiter 31. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
Die Kathode 22 umfasst eine kathodische Aktivmaterialschicht 42 und einen Stromableiter 32. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung zur Bildung einer Verbundschicht 60 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die so gebildete Verbundschicht 60 wird später einem hier nicht dargestellten Schichtenstapel 50 zugeführt, und der Schichtenstapel 50 wird zu der Elektrodeneinheit 10 weiter verarbeitet.
Zunächst wird eine plattenförmige Lage der anodische Aktivmaterialschicht 41 einer Vakuumeinheit 70 zugeführt. Die anodische Aktivmaterialschicht 41 wird mittels Unterdruck von der Vakuumeinheit 70 fixiert.
Vorliegend bildet die anodische Aktivmaterialschicht 41 eine erste
Aktivmaterialschicht, und die kathodische Aktivmaterialschicht 42 bildet eine zweite Aktivmaterialschicht. Selbstverständlich kann, alternativ, auch die kathodische Aktivmaterialschicht 42 die erste Aktivmaterialschicht bilden, und die anodische Aktivmaterialschicht 41 kann die zweite Aktivmaterialschicht bilden. Dies gilt für die erste Ausführungsform ebenso wie für die zweite
Ausführungsform.
Von einem bandförmigen Streifen werden entlang der Schnittlinien S
plattenförmige Lagen einer ersten Separatorschicht 18 geschnitten und eine Lage der ersten Separatorschicht 18 wird ebenfalls der Vakuumeinheit 70 zugeführt. Die erste Separatorschicht 18 wird mittels Unterdruck von der
Vakuumeinheit 70 auf der anodischen Aktivmaterialschicht 41 fixiert. Die erste Separatorschicht 18 wird dabei von der Vakuumeinheit 70 durch die anodische Aktivmaterialschicht 41 hindurch angesaugt.
Die anodische Aktivmaterialschicht 41 und die erste Separatorschicht 18 bilden die Verbundschicht 60. Die plattenförmigen Lagen der ersten Separatorschicht 18 werden dabei derart geschnitten, dass sie einen seitlichen Überstand über die plattenförmigen Lagen der zugehörigen anodischen Aktivmaterialschicht 41 aufweisen.
Die so gebildete Verbundschicht 60 wird dann dem in Figur 3 in einer
Seitenansicht dargestellten Schichtenstapel 50 zugeführt. Der Schichtenstapel 50 umfasst zunächst eine Lage der kathodischen Aktivmaterialschicht 42, welche auf einem Stromableiter 32 der Kathode 22 angeordnet ist.
Vorliegend bildet der Stromableiter 32 der Kathode 22 einen zweiten
Stromableiter, und der Stromableiter 31 der Anode 21 bildet einen ersten
Stromableiter. Selbstverständlich kann, alternativ, auch der Stromableiter 31 der Anode 21 den ersten Stromableiter bilden, und der Stromableiter 32 der Kathode 22 kann dien zweiten Stromableiter bilden. Dies gilt für die erste
Ausführungsform ebenso wie für die zweite Ausführungsform.
Die Verbundschicht 60 wird dem Schichtenstapel 50 derart zugeführt, dass die erste Separatorschicht 18 unmittelbar auf der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 abgelegt wird. Die erste Separatorschicht 18 der Verbundschicht 60 wird also auf einer dem Stromableiter 32 der Kathode 22 abgewandten Seite der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 abgelegt. Die erste Separatorschicht 18 der Verbundschicht 60 ist danach zwischen der anodischen Aktivmaterialschicht 41 der Verbundschicht 60 und der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 in dem Schichtenstapel 50 angeordnet.
Anschließend wird ein Stromableiter 31 der Anode 21 auf die anodische
Aktivmaterialschicht 41 der Verbundschicht 60 abgelegt, und eine weitere anodische Aktivmaterialschicht 41 wird separat auf den Stromableiter 31 der Anode 21 abgelegt.
Danach wird eine weitere Verbundschicht 60 dem Schichtenstapel 50 zugeführt, welche aus einer zweiten Separatorschicht 19 und der kathodischen
Aktivmaterialschicht 42 gebildet ist. Die weitere Verbundschicht 60 wird dem Schichtenstapel 50 derart zugeführt, dass die zweite Separatorschicht 19 unmittelbar auf der anodischen Aktivmaterialschicht 41 abgelegt wird. Die zweite Separatorschicht 19 der weiteren Verbundschicht 60 ist danach zwischen der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 der weiteren Verbundschicht 60 und der anodischen Aktivmaterialschicht 41 in dem Schichtenstapel 50 angeordnet.
In der Folge werden weitere Stromableiter 31, 32, weitere Aktivmaterialschichten 41, 42 und weitere Verbundschichten 60 auf dem Schichtenstapel 50 abgelegt. Die Stromableiter 31 der Anode 21 sind danach jeweils zwischen zwei anodischen Aktivmaterialschichten 41 angeordnet. Die Stromableiter 32 der Kathode 22 sind danach jeweils zwischen zwei kathodischen
Aktivmaterialschichten 42 angeordnet. Lediglich an einem Ende des
Schichtenstapels 50 angeordnete Stromableiter 31, 32 grenzen nur an eine Aktivmaterialschicht 41, 42 an.
Die Stromableiter 31 der Anode 21 und die angrenzenden anodischen
Aktivmaterialschichten 41 bilden die Anode 21. Die Stromableiter 32 der Kathode 22 und die angrenzenden kathodischen Aktivmaterialschichten 42 bilden die Kathode 22. Zwischen der Anode 21 und der Kathode 22 ist jeweils eine
Separatorschicht 18, 19 angeordnet.
Anschließend werden die Stromableiter 31 der Anode 21 in dem Schichtenstapel 50 elektrisch miteinander verbunden, und die Stromableiter 32 der Kathode 22 in dem Schichtenstapel 50 werden elektrisch miteinander verbunden. Dadurch entsteht die Elektrodeneinheit 10, welche dann vorliegend als Elektrodenstapel ausgebildet ist.
Figur 4 zeigt eine Seitenansicht eines Schichtenstapels 50 gemäß einer zweiten Ausführungsform während des Herstellprozesses. Dabei werden eine anodische Aktivmaterialschicht 41 sowie die erste Separatorschicht 18 jeweils als bandförmige Streifen einer ersten Vakuumeinheit 70 zugeführt, und eine weitere anodische Aktivmaterialschicht 41 sowie die zweite Separatorschicht 19 werden jeweils als bandförmige Streifen einer zweiten Vakuumeinheit 70 zugeführt. Der Schichtenstapel 50 ist somit vorliegend als kontinuierlicher bandförmiger Streifen ausgebildet.
Die beiden Vakuumeinheiten 70 können, ähnlich wie bei der ersten
Ausführungsform in Figur 2 dargestellt, einen flachen Ansaugbereich aufweisen, auf welchen die anodischen Aktivmaterialschichten 41 sowie die
Separatorschichten 18, 19 flächig angesaugt werden. Alternativ können die beiden Vakuumeinheiten 70 auch beispielsweise als umlaufende, zylindrische Trommeln ausgebildet sein, wobei jeweils der Umfang der zylindrischen
Trommeln den Ansaugbereich der beiden Vakuumeinheiten 70 darstellt.
Die erste Vakuumeinheit 70 saugt durch die anodische Aktivmaterialschicht 41 hindurch die erste Separatorschicht 18 an, wodurch eine Verbundschicht 60 gebildet wird. Die zweite Vakuumeinheit 70 saugt durch die anodische
Aktivmaterialschicht 41 hindurch die zweite Separatorschicht 19 an, wodurch eine weitere Verbundschicht 60 gebildet wird.
Die beiden Verbundschichten 60 werden dann zusammen mit dem Stromableiter
31 der Anode 21, welcher ebenfalls als bandförmiger Streifen vorliegt, dem Schichtenstapel 50 zugeführt. Dabei ist der Stromableiter 31 der Anode 21 zwischen den beiden anodischen Aktivmaterialschichten 41 der beiden
Verbundschichten 60 angeordnet. Der Stromableiter 31 der Anode 21 und die beiden angrenzenden anodischen Aktivmaterialschichten 41 der beiden
Verbundschichten 60 bilden dann die Anode 21. Gleichzeitig wird eine Gegenelektrode, vorliegend die Kathode 22, dem
Schichtenstapel 50 zugeführt. Die Kathode 22 umfasst dabei den Stromableiter
32 der Kathode 22, welcher von zwei kathodischen Aktivmaterialschichten 42 umgeben ist. Die Kathode 22 wird dem Schichtenstapel 50 derart zugeführt, dass eine der beiden kathodischen Aktivmaterialschichten 42 auf der zweiten
Separatorschicht 19 von einer der beiden Verbundschichten 60 abgelegt wird. Anschließend wird der als kontinuierlicher bandförmiger Streifen ausgebildete Schichtenstapel 50 zu einem Elektrodenwickel gewunden, welcher die
Elektrodeneinheit 10 bildet.
Wenn die beiden Vakuumeinheiten 70 als umlaufende, zylindrische Trommeln ausgebildet sind, wird der Schichtenstapel 50 in einem kontinuierlichen Prozess hergestellt. Wenn die beiden Vakuumeinheiten 70 einen flachen Ansaugbereich aufweisen, wird der Schichtenstapel 50 schrittweise in einem diskontinuierlichen Prozess hergestellt.
Die einzelnen bandförmigen Streifen der Separatoren 18, 19 sowie der anodischen Aktivmaterialschichten 41, des Stromableiters 31 der Anode 21 und auch der Kathode 22 können rechtwinklig zu ihrer Bewegungsrichtung verlaufende Perforationen aufweisen, an welchen die entsprechenden bandförmigen Streifen in dem Schichtenstapel 50 später zu plattenförmige Lagen aufgetrennt werden können. Alternativ oder zusätzlich können einzelne bandförmige Streifen oder auch der ganze Schichtenstapel 50 an hier nicht dargestellten, rechtwinklig zur Bewegungsrichtung verlaufenden, Schnittlinien geschnitten werden. In diesem Fall wird der Schichtenstapel 50, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, zu einem Elektrodenstapel weiter verarbeitet, der die Elektrodeneinheit 10 bildet.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die
Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit (10) für eine
Batteriezelle (2), wobei
eine erste Aktivmaterialschicht (41, 42) mittels Unterdruck von einer Vakuumeinheit (70) fixiert wird, und
eine Separatorschicht (18, 19) mittels Unterdruck auf der ersten
Aktivmaterialschicht (41, 42) fixiert wird,
wodurch eine Verbundschicht (60) gebildet wird,
welche frei von einem metallischen Stromableiter (31, 32) ist, und wobei die Verbundschicht (60) einem Schichtenstapel (50) zugeführt wird, welcher mindestens einen metallischen Stromableiter (31, 32) enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
die erste Aktivmaterialschicht (41, 42) eine höhere Luftdurchlässigkeit aufweist als die Separatorschicht (18, 19).
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei
die Separatorschicht (18, 19) von der Vakuumeinheit (70) durch die erste Aktivmaterialschicht (41, 42) hindurch angesaugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
ein erster Stromableiter (31, 32) auf die erste Aktivmaterialschicht (41, 42) der Verbundschicht (60) abgelegt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
die Verbundschicht (60) derart dem Schichtenstapel (50) zugeführt wird, dass die Separatorschicht (18, 19) unmittelbar auf einer zweiten
Aktivmaterialschicht (41, 42) abgelegt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei
die zweite Aktivmaterialschicht (41, 42) auf einem zweiten Stromableiter (31, 32) angeordnet ist, wobei
die Separatorschicht (18, 19) auf einer dem zweiten Stromableiter (31, 32) abgewandten Seite der zweiten Aktivmaterialschicht (41, 42) abgelegt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
die erste Aktivmaterialschicht (41, 42) und die Separatorschicht (18, 19) als plattenförmige Lagen der Vakuumeinheit (70) zur Bildung der Verbundschicht (60) zugeführt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei
die erste Aktivmaterialschicht (41, 42) und die Separatorschicht (18, 19) als bandförmige Streifen der Vakuumeinheit (70) zur Bildung der Verbundschicht (60) zugeführt werden.
9. Elektrodeneinheit (10) für eine Batteriezelle (2), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
10. Verwendung einer Elektrodeneinheit (10) nach Anspruch 9 in einer Batteriezelle (2) in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem
Consumer-Elektronik-Produkt.
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