WO2019052814A1 - Verfahren zur herstellung von elektroden - Google Patents

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WO2019052814A1
WO2019052814A1 PCT/EP2018/073291 EP2018073291W WO2019052814A1 WO 2019052814 A1 WO2019052814 A1 WO 2019052814A1 EP 2018073291 W EP2018073291 W EP 2018073291W WO 2019052814 A1 WO2019052814 A1 WO 2019052814A1
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WO
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shaped
electrode
band
contact lugs
shaped material
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PCT/EP2018/073291
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Letsch
Mirko Maier
Christian Diessner
Thomas Peter
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M10/0404—Machines for assembling batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of 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
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for producing electrodes from strip-shaped materials, to a battery cell and their use.
  • 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 with a very low self-discharge.
  • Lithium-ion battery cells have a positive electrode, also referred to as a cathode, and a negative electrode, also referred to as an anode.
  • the cathode and the anode each include one
  • the electrodes of the battery cell are formed like a film and with the interposition of a
  • Separator which separates the anode from the cathode, for example, stacked into an electrode stack.
  • the electrodes can also become one
  • 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 the separator are of a generally liquid electrolyte surround.
  • the battery cell further comprises a cell housing, which is made of aluminum, for example.
  • the cell housing is prismatic, in particular cuboid and pressure-resistant. But other forms of housing, such as circular cylindrical or flexible pouch cells are known.
  • the electrode stack has proven to be the most suitable design of an electrode unit for maximizing the useful volume, since it can be produced both in an ideal prismatic manner and in any other geometry.
  • Process steps are run through: a) generating a discontinuous longitudinal section in the edge region of the band-shaped material,
  • contact lugs produced in the production of electrodes can be protected against damage or kinking in the further processing of the electrodes, which is associated with numerous handling processes and deflections.
  • the separation of the excess material in the edge region is carried out by tearing in a direction substantially perpendicular to a previously performed longitudinal section in the band-shaped material for the electrodes, ie for anode and cathode, has been generated.
  • connections in the corner regions of the contact lugs are designed to be web-shaped for the surplus material surrounding them.
  • a burr which results in separating the excess material in the separating direction is located outside the anodic active material in the case of
  • a battery cell which comprises at least two electrodes, which is produced by the method proposed according to the invention.
  • An inventively proposed battery cell advantageously finds use in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), in a plug-in hybrid vehicle (PHEV) or in a consumer electronics product.
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid vehicle
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • consumer electronics products are in particular mobile phones, tablets, PCs or notebooks.
  • the inventively proposed method allows the production of electrodes of strip-shaped material, in particular those in the
  • anode and cathode at these trained tabs are effectively protected against damage during the inevitably required in the manufacturing process deflections or handling processes.
  • the anodes and cathodes are electrically contacted via the contact lugs located laterally thereon, which are subsequently combined. If one of these contact lugs is damaged or even kinked, the electrode stack can not be used. Damage to the tabs or the anodic or cathodic active material may also result in electrical breakdown, i. Short circuits within the
  • Lead electrode stack so that represents this committee.
  • the web or bridge-like connections between the corner regions of the contact lugs and surrounding this later separated in the separating direction material can be made very thin, which is sufficient to the contact lugs against damage
  • the removal process of the excess material, which is present in the edge region of the band-shaped material of the electrode material, takes place, for example, by tearing off, wherein the tears resulting during tearing are located outside of the anodic or cathodic active material, where no breakdown can result.
  • the waste occurring deliberately and in one piece deductible so that many small parts or snippets can be avoided.
  • the occurring waste can be targeted, for example be sucked off.
  • the separation of the excess material takes place at a favorable position in the process with respect to resulting particles or baubles, etc., since these occur shortly before the next stacking step, and for example not on the revolving wheel.
  • the position of introducing the discontinuous section can be relatively easily realized at various positions of the process.
  • the necessary space for the removal of waste at the site of the cut itself is eliminated, which allows greater flexibility in the process or in the plant design,
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a battery cell
  • Figure 2 shows the essential components of a plant for the production of
  • Figure 3 shows a section of a band-shaped electrode material
  • FIG. 4 Electrode stacks constructed from separator or electrode segments.
  • 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 housing 3 may also be formed in the form of a flexible pouch film.
  • 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 is arranged, which is embodied here as an electrode stack 10.
  • the electrode stack 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 separated from each other by a first belt-shaped separator 18.
  • the first band-shaped separator 18 is ionically conductive, that is permeable to lithium ions.
  • the anode 21 comprises an anodic active material 41 and an anodic current conductor 31.
  • the anodic current conductor 31 is made electrically conductive and made of a metal, for example of copper.
  • the anodic current collector 31 is electrically connected to the negative terminal 11 of the battery cell 2.
  • the cathode 22 comprises a cathodic active material 42 and a
  • the cathodic current collector 32 is made electrically conductive and made of a metal, for example Aluminum.
  • the cathodic current collector 32 is electrically connected to the positive terminal 12 of the battery cell 2.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the components of a system 58 for producing electrode stacks 10.
  • FIG. 2 shows a system 58 for producing electrode stacks 10.
  • a supply 60 for a first belt-shaped separator 18 is fed onto a transport device 62.
  • the transport device 62 can be a circulating belt or even a linear conveyor system 76 or the like act.
  • the first belt-shaped separator 18 is transported in the transport direction 64.
  • the transport device 62 is a bobbin supply of a first belt-shaped material 66 for a first electrode, e.g. the cathode.
  • a peripheral surface 94 of the driven wheel 92 is associated with a laser 96 or a knife-like cutter. Below the laser 96 or cutter, a cut 68 of the first first electrode tape material 66 is made, thereby forming a portion 70, i. Cathode segments 56, are generated.
  • the severed portion 70 is fixed to the peripheral surface 94 of the driven wheel 92 within a vacuum region 86 before the respective portion 70 is placed on the first belt-shaped separator 18 on the transport device 62.
  • the driven wheel 92 is provided with a drive 90 which includes an encoder and a drive control such that the driven wheel 92 is alternately alternately accelerated and decelerated during its rotation, such that when the sections 70 are deposited on the first belt-shaped separator 18 on the top of the transport device 62 defined gaps are generated.
  • a drive 90 which includes an encoder and a drive control such that the driven wheel 92 is alternately alternately accelerated and decelerated during its rotation, such that when the sections 70 are deposited on the first belt-shaped separator 18 on the top of the transport device 62 defined gaps are generated.
  • the linear conveyor system 76 comprises
  • the transfer region 74 After passage of the transfer region 74 is preferably a laser cut 80, the arrangement of the first belt-shaped separator 18, section 70 of the first electrode transferred to the linear conveyor system 76, i. the
  • band-shaped material 82 is applied to a second electrode, which is preferably cut by a laser 96 at position 84.
  • the second electrode portions 70 separated from the second second electrode tape-shaped material 82, the anode, are fixed within the vacuum region 86 on the driven wheel 92 and onto the first belt-shaped separator assemblies 18 conveyed from the individual tables of the linear conveyor system 76, the second electrode section 70 and the second belt-shaped separator 19 are applied.
  • the driven wheel 92 which is arranged above the linear conveyor system 76, also a
  • Vacuum region 86 and a blow-off 88 has. It takes place
  • Laser cut 80 of the second belt-shaped material 82 for the second electrode preferably by means of a short-pulsed (ns or ps) solid-state laser.
  • a knife-like cutting device can also be used to separate the individual sections 70 at this point from the second strip-shaped material 82 for the second electrode (anode).
  • FIG. 3 shows a detail of a first band-shaped material 66 from which electrodes are produced.
  • FIG. 3 The illustration according to FIG. 3 is a section of a plan view
  • Advancing direction 101 of the edge region 100 extends a longitudinal section 102 in the edge region 100 of the first and second band-shaped materials 66, 82.
  • the longitudinal section 102 is generated in particular by a laser 96.
  • the laser 96 is thereby guided to produce the longitudinal section 102 such that the longitudinal section 102 is designed as a discontinuous longitudinal section.
  • Links 104 remain.
  • the compounds 104 which may be designed in particular web-like or bridge-like, are very narrow and
  • the contact lugs 35, 36 are also at later deflection or
  • the band-shaped materials lie in a conveying plane in which none
  • the excess material 106 can be used to mechanically protect and stabilize the contact lugs 35, 36, which later serve for making electrical contact, against buckling and other damage. This represents a significant safety criterion in the production of electrode stacks 10, since due to the avoidance of damage to the contact lugs 35, 36, the production of rejects is excluded.
  • FIG. 4 shows an electrode stack 10.
  • the electrode stack 10 formed from individual stack segments 52 as shown in FIG. 5, comprises four layers, a separator segment 53, a cathode segment 56, a further separator segment 53 located above and an anode segment 55
  • Cathode segments 56 form the cathode 22, while the anode segments 55 form the anode 21 of the electrode stack 10.

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  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden (21, 22) aus bandförmigem Material (66, 82) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: Zunächst wird ein diskontinuierlicher Längsschnitt (102) im Randbereich (100) des bandförmigen Materials (66, 82) erzeugt. Es werden Kontaktfahnen (35, 36) beim diskontinuierlichen Längsschnitt (102) erzeugt. Dabei verbleiben Verbindungen (104) im Eckbereich (110) der Kontaktfahnen (35, 36) zwischen diesen und überschüssigen Material (106) des bandförmigen Materials (66, 82). Der Transport des gemäß der vorstehenden Verfahrensschritte behandelten bandförmigen Materials (66, 82) geht nun in eine Förderebene über, in der die Abtrennung des überschüssigen Materials (106) in Trennrichtung (108) erfolgt.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zur Herstellung von Elektroden Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden aus bandförmigen Materialien, auf eine Batteriezelle sowie deren Verwendung.
Stand der Technik
Die 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 mit einer äußerst geringen 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, beispielsweise zu einem Elektrodenstapel gestapelt. Die Elektroden können auch zu einem
Elektrodenwickel gebunden sein oder auf eine andere Art eine Elektrodeneinheit bilden.
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 Elektrolyten 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 Pouch-Zellen, sind bekannt.
Wesentliche Bestrebung bei der Entwicklung von neuen Batteriezellen ist, das elektrochemische Nutzvolumen in der Batteriezelle zu erhöhen. Als geeignetste Bauform einer Elektrodeneinheit zur Maximierung des Nutzvolumens hat sich der Elektrodenstapel herausgestellt, da dieser sowohl ideal prismatisch als auch in einer beliebigen anderen Geometrie hergestellt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden aus bandförmigen
Materialien vorgeschlagen, wobei mindestens die nachfolgenden
Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Erzeugen eines diskontinuierlichen Längsschnittes im Randbereich des bandförmigen Materials,
b) Ausbildung von Kontaktfahnen beim diskontinuierlichen Längsschnitt, c) Verbleib einer Verbindung im Eckbereich der Kontaktfahnen zwischen diesen und überschüssigem Material des bandförmigen Materials, d) Transport gemäß der Verfahrensschritte a) bis c) des behandelten
bandförmigen Materials in einer Förderebene und
e) Abtrennen des überschüssigen Materials in eine Trennrichtung.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können bei der Herstellung von Elektroden hergestellte Kontaktfahnen bei der Weiterverarbeitung der Elektroden, die mit zahlreichen Handhabungsprozessen und Umlenkungen verbunden ist, gegen Beschädigungen oder Abknicken geschützt werden.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt das Abtrennen des überschüssigen Materials im Randbereich durch Abreißen in eine Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu einem vorher durchgeführten Längsschnitt im bandförmigen Material für die Elektroden, d.h. für Anode und Kathode, erzeugt worden ist.
In weiterer Ausbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden die Verbindungen in den Eckbereichen der Kontaktfahnen zum diese umgebenden überschüssigen Material stegförmig ausgeführt. Dadurch bleibt eine dauerhafte Verbindung der Kontaktfahnen mit dem sie umgebenden Material aufrecht erhalten, so dass sich eine annähernd geschlossene durch den Längsschnitt unterbrochene Fläche bildet, die bei Umlenkungen und
Handhabungsprozessen den zuvor geschnittenen Kontaktfahnen eine größere
Stabilität verleiht und insbesondere die Beschädigungsgefahr der Kontaktfahnen minimiert.
Schließlich ist vorgesehen, den diskontinuierlichen Längsschnitt im bandförmigen Material für die Elektroden mittels eines Lasers zu erzeugen. Die Verwendung eines Lasers erlaubt einen sehr feinen Schnitt, so dass insbesondere die Kontur der Kontaktfahnen und die Breite der Stege fertigungstechnisch günstig gehalten werden können.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens befindet sich ein beim Abtrennen des überschüssigen Materials in Trennrichtung ergebender Grat außerhalb des anodischen Aktivmaterials im Falle der
Herstellung einer Anode oder außerhalb des kathodischen Aktivmaterials im Falle der Herstellung einer Kathode.
Des Weiteren wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, die mindestens zwei Elektroden umfasst, die nach dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren hergestellt ist.
Eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriezelle findet in vorteilhafter Weise Verwendung 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 im vorliegenden Kontext insbesondere Mobiltelefone, Tablets, PC's oder Notebooks zu verstehen. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren gestattet die Herstellung von Elektroden von bandförmigem Material, wobei insbesondere die bei der
Fertigung von Anode und Kathode an diesen ausgebildeten Kontaktfahnen gegen Beschädigungen während der beim Herstellungsprozess zwangsläufig erforderlichen Umlenkungen bzw. Handhabungsprozesse wirksam geschützt sind. In der Regel werden die Anoden und Kathoden über die seitlich an diesen befindlichen Kontaktfahnen, die anschließend zusammengefasst sind, elektrisch kontaktiert. Ist eine dieser Kontaktfahnen beschädigt oder gar abgeknickt, so kann der Elektrodenstapel nicht verwendet werden. Beschädigungen der Kontaktfahnen bzw. des anodischen oder kathodischen Aktivmaterials können auch zu elektrischen Durchschlägen, d.h. Kurzschlüssen innerhalb des
Elektrodenstapels führen, so dass dieser Ausschuss darstellt.
In vorteilhafter Weise können die steg- oder brückenartigen Verbindungen zwischen den Eckbereichen der Kontaktfahnen und den dieses umgebenden später in Trennrichtung abzutrennenden Materials sehr dünn ausgeführt werden, was dazu ausreicht, die Kontaktfahnen gegen Beschädigungen bei
Umlenkvorgängen zu schützen, da die mechanische Stabilität des sehr dünnen bandförmigen Materials, aus dem die Anode bzw. die Kathode gefertigt sind, aufgrund der geringen Materialdicke begrenzt ist. Somit wird später aus dem Randbereich des bandförmigen Elektrodenmaterials abzutrennendes
überschüssiges Material in vorteilhafter Weise dazu benutzt, die später zum Anschluss des Elektrodenstapels enorm wichtigen Kontaktfahnen zu schützen.
Der Abtrennvorgang des überschüssigen Materials, welches im Randbereich des bandförmigen Materials des Elektrodenmaterials vorliegt, erfolgt beispielsweise durch Abreißen, wobei die sich beim Abreißen ergebenden Grate außerhalb des anodischen bzw. kathodischen Aktivmaterials befindet, wo sich kein Durchschlag ergeben kann.
Durch den Abtrennvorgang des überschüssigen Materials ist dem
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend der auftretende Abfall gezielt und an einem Stück abführbar, so dass viele kleine Teile bzw. Schnipsel vermieden werden können. Der auftretende Abfall kann gezielt beispielsweise abgesaugt werden. Des Weiteren ist hervorzuheben, dass das Abtrennen des überschüssigen Materials an einer günstigen Position im Prozess in Bezug auf anfallende Partikel bzw. Flitter usw. erfolgt, da diese kurz vor dem nächsten Stapelschritt, und beispielsweise nicht auf dem umlaufenden Rad erfolgen.
Erfolgt das Abtrennen dort, könnten Partikel nach unten auf andere Elektrodenbzw, separate Segmente fallen, die später bei Herstellung der Elektrodenstapel aus Stapelsegmenten zu Kurzschlüssen führen könnten.
Des Weiteren kann dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, die Position des Einbringens des diskontinuierlichen Schnittes relativ einfach an verschiedenen Positionen des Prozesses realisiert werden. Der notwendige Platzbedarf für das Abführen des Abfalls am Ort des Schnittes selbst entfällt, was eine größere Flexibilität im Prozess bzw. im Anlagendesign zulässt,
beispielsweise die Anordnung und die Durchführung eines Laserschnittes an jeder beliebigen Umlenkrolle.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
Figur 2 die wesentlichen Komponenten einer Anlage zur Herstellung von
Elektrodenstapeln,
Figur 3 ein Ausschnitt eines bandförmigen Elektrodenmaterials mit
diskontinuierlichem Schnitt und dadurch gebildeten Kontaktfahnen in überschüssigem später abzutrennenden Bereich und
Figur 4 Elektrodenstapel, die aus Separator- bzw. Elektrodensegmenten aufgebaut sind.
Ausführungsvarianten 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. Das Gehäuse 3 kann auch in Form einer flexiblen Pouch-Folie ausgebildet sein.
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 angeordnet, welche vorliegend als Elektrodenstapel 10 ausgeführt ist. Der Elektrodenstapel 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 einen ersten bandförmigen Separator 18 voneinander separiert. Der erste bandförmige Separator 18 ist ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41 und einen anodischen Stromableiter 31. Der anodische Stromableiter 31 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der anodische Stromableiter 31 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42 und einen
kathodischen Stromableiter 32. Der kathodische Stromableiter 32 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der kathodische Stromableiter 32 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung die Komponenten einer Anlage 58 zur Herstellung von Elektrodenstapeln 10.
Figur 2 zeigt eine Anlage 58 zur Herstellung von Elektrodenstapeln 10. An einer Zuführung 60 für einen ersten bandförmigen Separator 18 erfolgt dessen Zuführung auf einer Transportvorrichtung 62. Bei der Transportvorrichtung 62 kann es sich um ein umlaufendes Band oder auch um ein lineares Fördersystem 76 oder dergleichen handeln. Auf der Transportvorrichtung 62 wird der erste bandförmige Separator 18 in Transportrichtung 64 transportiert.
Oberhalb der Transportvorrichtung 62 befindet sich ein Spulenvorrat eines ersten bandförmigen Materials 66 für eine erste Elektrode, z.B. die Kathode. Die Zufuhr des ersten bandförmigen Materials 66 für die erste Elektrode erfolgt über mehrere hier nicht dargestellte Umlenkrollen an ein angetriebenes Rad 92. Einer Umfangsfläche 94 des angetriebenen Rades 92 ist ein Laser 96 oder eine messerartige Schneideinrichtung zugeordnet. Unterhalb des Lasers 96 oder der Schneideinrichtung erfolgt ein Schnitt 68 des ersten bandförmigen Materials 66 für die erste Elektrode, wodurch ein Abschnitt 70, d.h. Kathodensegmente 56, erzeugt werden. Der abgetrennte Abschnitt 70 wird an der Umfangsfläche 94 des angetriebenen Rades 92 innerhalb eines Vakuumbereiches 86 fixiert, bevor der jeweilige Abschnitt 70 auf den ersten bandförmigen Separator 18 auf der Transportvorrichtung 62 aufgelegt wird.
Das angetriebene Rad 92 ist mit einem Antrieb 90 versehen, der einen Encoder und eine Antriebssteuerung umfasst, derart, dass das angetriebene Rad 92 während seiner Rotation abwechselnd alternierend beschleunigt und verzögert wird, so dass bei der Ablage der Abschnitte 70 auf dem ersten bandförmigen Separator 18 auf der Oberseite der Transportvorrichtung 62 definierte Lücken erzeugt werden.
Danach erfolgt die Zuführung 72 eines zweiten bandförmigen Separators 19. Dieser wird auf die Transportvorrichtung 62 überführt, so dass der erste bandförmige Separator 18 und die regelmäßig beabstandeten abgetrennten Abschnitte 70, d.h. die Kathodensegmente 56, von dem zweiten bandförmigen Separator 19 überdeckt sind. Anschließend erfolgt innerhalb eines Übergabebereiches 74 die Überführung des ersten bandförmigen Separators 18, der darauf angeordneten voneinander beabstandeten Abschnitte 70 sowie des zweiten bandförmigen Separators 19 an ein lineares Fördersystem 76. Das lineare Fördersystem 76 umfasst
beispielsweise einzelne mit Unterdruck beaufschlagbare Schlitten, wobei aus Figur 2 hervorgeht, dass dem linearen Fördersystem 76 an dessen Unterseite einzelne diskrete Stapelvorrichtungen 78 zugeordnet sind.
Nach Passage des Übergabebereiches 74 erfolgt bevorzugt ein Laserschnitt 80, der an das lineare Fördersystem 76 übergebenen Anordnung aus dem erstem bandförmigen Separator 18, Abschnitt 70 der ersten Elektrode, d.h. der
Kathodensegmente 56, sowie des zweiten bandförmigen Separators 19. Diese noch dreilagig ausgebildeten Stapel werden seitlich über Greifvorrichtungen oder über Vakuum auf einzelnen voneinander getrennten mit Vakuum
beaufschlagbaren Schlitten des linearen Fördersystems 76 fixiert.
Aus Figur 2 geht hervor, dass dem linearen Fördersystem 76 ein weiteres angetriebenes Rad 92 zugeordnet ist. Dieses wird mit einem zweiten
bandförmigen Material 82 für eine zweite Elektrode beaufschlagt, welches bei Position 84 bevorzugt durch einen Laser 96 geschnitten wird. Die vom zweiten bandförmigen Material 82 für die zweite Elektrode, die Anode, abgetrennten Abschnitte 70 der zweiten Elektrode werden innerhalb des Vakuumbereiches 86 auf dem angetriebenen Rad 92 fixiert und auf die von den einzelnen Tischen des linearen Fördersystems 76 herantransportierten Anordnungen aus erstem bandförmigen Separator 18, dem Abschnitt 70 für die zweite Elektrode und den zweiten bandförmigen Separator 19 aufgebracht.
Die erhaltenen, beispielsweise von Greifern des linearen Fördersystems 76 fixierten vierlagigen Stapelsegmente 52, aus Separatorsegment 53 des ersten bandförmigen Separators 18, dem Kathodensegment 56, dem Separatorsegment 53 des zweiten bandförmigen Separators 19 und dem Anodensegment 55, vgl. Figur 4, werden im Auslaufbereich des linearen Fördersystems 76 um 180° gewendet und auf einzelne Stapelvorrichtungen 78 abgelegt.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass das angetriebene Rad 92, welches oberhalb des linearen Fördersystems 76 angeordnet ist, ebenfalls einen
Vakuumbereich 86 und einen Abblasbereich 88 aufweist. Es erfolgt ein
Laserschnitt 80 des zweiten bandförmigen Materials 82 für die zweite Elektrode bevorzugt mittels eines kurzgepulsten (ns oder ps) Festkörper- Lasers. Alternativ zu dem Laser 96, bei dem es sich bevorzugt um einen Festkörper- Laser handelt, kann auch eine messerartige Schneidvorrichtung eingesetzt werden, um die einzelnen Abschnitte 70 an dieser Stelle vom zweiten bandförmigen Material 82 für die zweite Elektrode (Anode) abzutrennen.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt eines ersten bandförmigen Materials 66, aus dem Elektroden hergestellt werden.
Der Darstellung gemäß Figur 3 ist in Draufsicht ein Ausschnitt eines
Randbereiches 100 eines ersten bandförmigen Materials 66 für eine erste Elektrode (z.B. die Kathode) oder eines zweiten bandförmigen Materials 82 zur Herstellung einer zweiten Elektrode (z.B. die Anode) zu entnehmen. In
Vorschubrichtung 101 des Randbereiches 100 gesehen, erstreckt sich ein Längsschnitt 102 im Randbereich 100 der ersten und zweiten bandförmigen Materialien 66, 82. Der Längsschnitt 102 wird insbesondere durch einen Laser 96 erzeugt.
Der Laser 96 wird dabei zur Erzeugung des Längsschnittes 102 derart geführt, dass der Längsschnitt 102 als diskontinuierlicher Längsschnitt ausgeführt ist. Dies bedeutet, dass insbesondere in den Bereichen, in denen Kontaktfahnen 35 für eine erste Elektrode, z.B. die Kathode, oder Kontaktfahnen 36 für eine zweite Elektrode, z.B. die Anode, ausgeführt werden, stegartige bzw. brückenartige
Verbindungen 104 verbleiben. Die Verbindungen 104, die insbesondere stegartig oder auch brückenartig ausgeführt sein können, sind sehr schmal und
stabilisieren die jeweiligen Kontaktfahnen 35, 36, indem diese mit dem sie umgebenden, später abzutrennenden überschüssigen Material 106 verbinden. Dadurch wird eine Beschädigung der einzelnen Kontaktfahnen 35, 36 über die eine Anode 21 (vgl. Figur 1) bzw. eine Kathode 22 (vgl. Figur 1) bei
Umlenkungen und Verbiegungen und bei späterer Bildung der Elektrodenstapel 10 aus Stapelsegmenten 52 elektrisch kontaktiert wird, vermieden. Da über die stegartigen Verbindungen 104 die Kontaktfahnen 35, 36 mit dem sie
umgebenden, später abzutrennenden überschüssigen Material 106 verbunden bleiben, liegen die Kontaktfahnen 35, 36 auch bei späteren Umlenk- bzw.
Handhabungsprozessen stets in der Transportebene des bandförmigen Materials 66, 82 für die erste oder die zweite Elektrode.
Sobald die bandförmigen Materialien, sei es das erste bandförmige Material 66 für eine erste Elektrode (Kathode), sei es das zweite bandförmige Material 82 für die zweite Elektrode (Anode), in einer Förderebene liegen, in der keine
Umlenkungen oder Verbiegungen mehr auftreten - abgesehen vom stapelartigen Fügen des Elektrodenstapels 10 - erfolgt ein Abtrennen des überschüssigen Materials 106. Die Abtrennung erfolgt in Trennrichtung 108, die sich im
Wesentlichen senkrecht zur Vorschubrichtung 101 erstreckt.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann das überschüssige Material 106 dazu benutzt werden, die später zur elektrischen Kontaktierung dienenden Kontaktfahnen 35, 36 mechanisch zu schützen und zu stabilisieren, gegen Umknicken und andere Beschädigungen bewahren. Dies stellt ein erhebliches Sicherheitskriterium bei der Herstellung von Elektrodenstapeln 10 dar, da aufgrund der Vermeidung von Beschädigungen der Kontaktfahnen 35, 36 die Produktion von Ausschuss ausgeschlossen ist.
Figur 4 zeigt einen Elektrodenstapel 10. Der Elektrodenstapel 10, gebildet aus einzelnen Stapelsegmenten 52 gemäß der Darstellung in Figur 5, umfasst vier Lagen, ein Separatorsegment 53, ein Kathodensegment 56, ein weiteres darüber liegendes Separatorsegment 53 sowie ein Anodensegment 55. Die
Kathodensegmente 56 bilden die Kathode 22, während die Anodensegmente 55 die Anode 21 des Elektrodenstapels 10 bilden.
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 von Elektroden (21, 22) aus bandförmigen Materialien (66, 82) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Erzeugen eines diskontinuierlichen Längsschnittes (102) im
Randbereich (100) des bandförmigen Materials (66, 82), b) Ausbildung von Kontaktfahnen (35, 36) beim diskontinuierlichen Längsschnitt (102),
c) Verbleib einer Verbindung (104) im Eckbereich (110) der
Kontaktfahnen (35, 36) zwischen diesen und überschüssigen Material (106) des bandförmigen Materials (66, 82), d) Transport des gemäß der Verfahrensschritte a) bis c) behandelten bandförmigen Materials (66, 82) in einer Förderebene und e) Trennen des überschüssigen Materials (106) in Trennrichtung (108).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Abtrennen des überschüssigen Materials (106) im Randbereich (100) der bandförmigen Materialien (66, 82) durch Abreißen erfolgt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verbindungen (104) in den Eckbereichen (110) der Kontaktfahnen (35, 36) zum überschüssigen Material (106) steg- oder brückenförmig ausgeführt sind.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
diskontinuierliche Längsschnitt (102) mittels eines Lasers (96) erzeugt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennrichtung (108) senkrecht zur Vorschubrichtung (101) eines ersten bandförmigen Materials (66) für eine erste Elektrode bzw. eines zweiten bandförmigen Materials (82) für eine zweite Elektrode verläuft.
6. Batteriezelle (2), umfassend mindestens zwei Elektroden (21, 22), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
7. Verwendung einer Batteriezelle (2) gemäß Anspruch 6 in einem
Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-in- Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt.
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