WO2021228653A2 - Verfahren zur detektion von feinschlüssen, teststand und fertigungslinie - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for the detection of fine circuits in an electrode arrangement, a test stand and a production line.
  • lithium ion battery is used synonymously for all terms used in the prior art for galvanic elements and cells containing lithium, such as lithium battery, lithium cell, lithium ion cell, lithium polymer cell, lithium ion cell Battery cell and lithium ion accumulator.
  • rechargeable batteries secondary batteries
  • battery and “electrochemical cell” are also used synonymously with the terms “lithium ion battery” and “lithium ion cell”.
  • the lithium ion battery can also be a solid-state battery, for example a ceramic or polymer-based solid-state battery.
  • Electrode arrangements are sequences of at least two different electrodes, at least one positive (cathode) and at least one negative electrode (anode). Each of these electrodes has at least one active material, optionally together with additives such as electrode binders and conductivity additives.
  • a separator for electrical and mechanical insulation is arranged between each cathode and anode.
  • the separator is permeable to ions, for example lithium ions in the case of a separator of a lithium ion battery.
  • the electrode assemblies and separators are then packed in a housing that is filled with electrolyte. Due to the presence of the electrolyte, ions can migrate through the separator while the galvanic element is being charged or discharged.
  • lithium-ion technology A general description of lithium-ion technology can be found in Chapter 9 (lithium-ion cell, author Thomas Wschreible) of the “Handbook Lithium-Ion Batteries” (publisher Reiner Korthauer, Springer, 2013) and in Chapter 9 (Lithium-ion cell, author Thomas Wschreible) of the book “Lithium-Ion Batteries: Basics and Applications” (Editor Reiner Korthauer, Springer, 2018).
  • the galvanic element During the manufacture of the galvanic element, it must be ensured that the at least one cathode and the at least one anode remain reliably separated from one another by the separator or separators. If the separator is damaged or not correctly aligned, a so-called fine circuit can occur, i.e. an internal short circuit between the cathode and anode. In this case the galvanic element cannot be used and must be discarded.
  • HiPot test In the prior art, the so-called “HiPot test” is used to detect such fine connections.
  • very high voltages of around 500 volts are applied to the electrodes of the electrode / separator arrangement or galvanic cell to be checked. If the separator does not provide sufficient insulation, for example due to a shifted arrangement or due to mechanical damage to the separator, a current flow occurs at these very high voltages despite the separator, which can be detected, also referred to as voltage breakdown. In this case, damage to the galvanic cell can be assumed. If the HiPot test is not passed, the electrode / separator arrangements are not processed further and are discarded.
  • non-woven separators In modern galvanic elements, especially in lithium ion batteries, so-called “non-woven” separators are increasingly being used. Such separators have a nonwoven fabric with mostly open porosity. This is understood to mean that the separator has at least some pores which extend along a single axis over the entire thickness of the separator. Correspondingly, there is an angled or labyrinth pore structure at most to a small extent, at least not exclusively.
  • Such non-woven separators are commercially available and are formed from chemically, mechanically and electrochemically highly stable fibers, for example from polyester (DE
  • a method for producing galvanic elements is known in which individual cells, from which cell stacks are to be formed for the galvanic element, are first checked as the smallest unit by means of an impedance measurement. A 100% non-destructive test is possible. Laminated cells are used as single cells in this test. In laminated cells of this type, for example known from EP 1 261 048 B1, the individual components, that is to say electrode, arrester and separator, are firmly and permanently connected to one another, for example by means of a plastic, and cannot be separated non-destructively.
  • the method presented shows the possibility that impedance measurements can also be carried out without an electrolyte, since residues from the lamination process result in sufficient contact between the electrodes and the separators in order to make a finite impedance measurable.
  • the method is therefore only suitable for laminated cells or electrode / separator stacks made up of several laminated cells. Electrode coils cannot be made from such laminated cells without risking damage.
  • the object of the invention is to provide a further possibility for the reliable detection of fine circuits in electrode arrangements.
  • the object is achieved according to the invention by a method for detecting fine circuits in an electrode arrangement, the method comprising the following steps: First, the electrode arrangement is provided with at least one anode and at least one cathode, a separator with open porosity being inserted between each anode and cathode . The impedance of the electrode arrangement is then measured and the measured impedance is compared with a reference value. A fine circuit is detected if the measured impedance deviates from the reference value. The electrode arrangement is not laminated and the impedance is measured before the electrolyte is introduced and the electrode arrangement is installed in a galvanic element. According to the invention, no laminated electrodes or laminated cells are used.
  • the inventors have recognized that even in this case a finite impedance can be measured before the electrode arrangement is installed in a galvanic element and, in particular, before the electrolyte is poured in, by means of which a fine circuit of the electrode arrangement can be reliably detected. This is surprising insofar as, due to the lack of connection between the electrodes and the separators, there may be gaps and air inclusions that generate very high interface resistances and thus infinite and thus immeasurable values of the impedance should be expected. There are also no residues from lamination processes, for example residual moisture, which should cause a corresponding conductivity.
  • a secondary positive aspect of the present invention is the fact that non-woven separators can also be reliably tested for fine locking and released in unlaminated arrangements. As a result, a lamination of non-woven separators does not necessarily have to take place for a fine-locking test, which are often adversely affected by the lamination process, in particular by the action of high pressure and temperature.
  • the open porosity of the at least one separator makes it possible to measure a finite impedance in this case as well.
  • the inventors have recognized that the incomplete electrical insulation of such separators, unlike in the conventional HiPoT test, can advantageously be used in an impedance measurement under measurement conditions. Only lower voltages are required for an impedance measurement than for a HiPot test, so that the energy requirement and thus the costs of the test procedure are also reduced.
  • the incomplete electrical insulation caused by separators with open porosity leads to a voltage breakdown.
  • the reference value can be predetermined in advance on the basis of electrode arrangements that have correct functionality. For example, the reference value is an average value of the measured impedances of previously measured electrode arrangements with correct functionality.
  • the reference value can also only be a lower limit or an upper limit of a known range of impedance values.
  • a reference value of the order of magnitude of approximately 40 k ⁇ can be expected, when measured with an alternating voltage of approximately 1 kHz.
  • Large-area PHEV1 wound cells with an electrode area of around 8000 cm 2 suggest a reference range of 80 to 120 mQ
  • a statistical evaluation of previous impedance measurements of known electrode arrangements can also be carried out in order to define a measuring range in which the measured impedance values lie in the case of functional electrode arrangements.
  • the reference value is a reference range.
  • the impedance is measured before the electrode arrangement is installed in a housing and, in particular, before an electrolyte is poured into the housing.
  • the method according to the invention makes it possible to check the electrode arrangement even before it is processed in further work steps.
  • faulty electrode arrangements and mechanical damage, for example to the separator can be identified and sorted out at an early stage in the process. This reduces the number of rejects in the production of galvanic cells and thus their production costs. Since slight internal fine closures can only become noticeable in the application during the service life of the cell, the reliability of the cell also increases.
  • the galvanic element is in particular a lithium ion battery.
  • a fine circuit is only detected if the measured impedance deviates from the reference value by more than a predetermined tolerance range. For example, a deviation of up to ⁇ 15% from the reference value can be selected as the tolerance range.
  • the tolerance range can be determined analogously to the reference value by measuring the impedance beforehand on electrode arrangements with correct functionality. In particular, manufacturing-related fluctuations can be taken into account by means of the tolerance range, but these do not yet negatively affect the correct functionality of the electrode arrangement to an excessive extent.
  • the tolerance range can be a deviation by a predetermined percentage above the upper limit or below the lower limit, for example a deviation of 5% above the upper limit or below the lower limit.
  • the at least one separator is in particular a nonwoven fabric or a paper.
  • the separator is preferably, in particular, a “non-woven” separator.
  • Such separators can be produced from plastic fibers which have been obtained by extrusion from polymer melts or by other known methods of fiber production. Endless fibers or staple fibers can be used as fibers to form the nonwovens.
  • Non-woven separators, which are at least partially formed from biopolymers, are known from DE 102014205234 A.
  • the nonwovens used as separators can be oriented or designed as random scrims. All known processes, in particular dry processes, aerodynamic processes such as melt-blown processes and spunbond processes, wet processes and extrusion processes can be used to produce nonwovens.
  • the nonwovens can be bonded mechanically, chemically or thermally in a known manner. In particular, no complex further processing steps, for example structuring of the fibers, have to be carried out in order to produce non-woven separators from the plastic fibers.
  • Non-woven separators can increase the mechanical, chemical, electrochemical and thermal stability of the electrode arrangement.
  • the at least one separator can comprise fibers made of a plastic selected from the group consisting of polyimide, polyester, aramid, Copolymers and mixtures thereof. Separators with fibers made from these plastics have an increased melting temperature and puncture resistance, especially in comparison to polyethylene and polypropylene, which increases the temperature resistance and reliability of the separators. In addition, these plastics can be extruded from polymer melts using known processes.
  • the separator has a thickness in the range from 8 to 25 ⁇ m, preferably from 10 to 15 ⁇ m.
  • a thickness in the range from 8 to 25 ⁇ m, preferably from 10 to 15 ⁇ m.
  • the method according to the invention can be used both on small pouch cells with an electrode area of 2 ⁇ 4 cm and on large-area PHEV1 cells with an electrode area of up to 15 ⁇ 480 cm (wound PH EV1 cell) or larger.
  • the at least one cathode and the at least one anode can thus, in one variant, have an electrode area of at least 800 mm 2 , preferably at least 5,000 mm 2 , more preferably at least 7,000 mm 2 , at least 8,000 mm 2 or at least 10,000 mm 2 .
  • Exemplary electrode areas are in the range from 800 mm 2 to 800,000 mm 2 , in particular in the range from 5,000 mm 2 to 20,000 mm 2 or 7,200 mm 2 to 16,200 mm 2 . Accordingly, the electrodes of the electrode arrangement can be comparatively large-area electrodes. The method according to the invention is also suitable for such electrode surfaces.
  • Exemplary dimensions of the electrodes are in the range from 100 c 50 mm to 200 c 100 mm, in particular from 120 c 60 mm to 180 c 90 mm.
  • the electrode arrangement comprises in particular at least 5 anodes and at least 5 cathodes, preferably at least 8 anodes and at least 8 cathodes.
  • the method according to the invention can also be used for electrode arrangements with a large number of individual electrodes that are not yet firmly connected to one another and / or from are saturated with an electrolyte. This makes it possible to at least partially separate the still loosely connected electrode arrangements again if a fine connection is detected by means of the method according to the invention. In this way, the defective cathode or anode or the defective separator can be identified, while the other components of the electrode arrangement can be reused.
  • each individual bilayer cell consisting of exactly one cathode and one anode with exactly one separator can be tested using the method according to the invention before the bilayer cells are assembled into a stack. Bilayer cells identified as defective can be sorted out and discarded.
  • the galvanic element can be a cell stack or a cell coil. Since the individual electrodes of the electrode arrangement are not yet connected to one another according to the invention, in particular no laminated individual cells are used, the method according to the invention can be used not only for cell stacks but also for cell rolls. In contrast to the use of laminated individual cells, cell rolls can also be reliably checked by means of impedance measurement.
  • the impedance can be measured by means of an alternating current or an alternating voltage with a frequency in the range from 500 Hz to 1.5 kHz, in particular with a frequency of 1 kHz. At these frequencies, both a short measurement time and a high reliability of the impedance measurement can be achieved.
  • the real and imaginary parts of the impedance and / or the absolute amount of the impedance can be used to measure the impedance.
  • a phase-sensitive value and / or an absolute value of the impedance can be used.
  • test stand for checking an electrode arrangement which is set up to carry out the method described above.
  • the test stand can in particular be integrated in a production line for the production of galvanic elements, for example in a formation system.
  • the test stand has a sensor module with contacts for making contact with conductor lugs of the electrode arrangement.
  • the test stand can comprise a memory module and an evaluation module.
  • the memory module can store a history of measured impedance values in order to be able to carry out a statistical evaluation on the basis of the stored values, for example in order to determine a reference range for the impedance measurement.
  • the reference value and the tolerance range can also be stored in the memory module.
  • the evaluation module can compare the impedance measured by the sensor module with the reference value.
  • test stand can have a communication module that is set up to exchange data with other components of the production line. In this way, detected fine connections can be reported to other devices on the production line, which can then sort out faulty electrode arrangements or process them further.
  • the invention is further achieved by a production line with a test stand of the type described above.
  • FIG. 1 schematically shows a test stand according to the invention in a production line according to the invention
  • FIG. 2 shows a block diagram of a method according to the invention.
  • FIG. 1 a section of a production line 10 for the production of galvanic elements is shown.
  • the production line 10 comprises a conveyor belt 12 on which a multiplicity of electrode arrangements 14 are located.
  • the electrode arrangements 14 have, loosely arranged on top of one another, at least one anode, at least one cathode and a separator between each anode and cathode, the same number of cathodes and anodes being contained in the electrode arrangement 14.
  • each of the electrode arrangements 14 comprises at least 50 cathodes and at least 50 anodes, preferably at least 80 cathodes and at least 80 anodes, which form the electrode arrangement 14 as a cell stack.
  • the electrode arrangements 14 could also be cell rolls.
  • Each electrode arrangement 14 has a cathode collector tab 16 and an anode collector tab 18.
  • the cathode arrester lug 16 or the anode arrester lug 18 is designed as a collecting member of individual arresters of the cathodes or anodes, so that all cathodes can be electrically contacted via the cathode arrester lug 16 and all anodes of the respective electrode arrangement 14 via the anode arrester lug 18.
  • the cathodes and the anodes each have at least one active material.
  • cathode active material all materials known from the prior art can be used for the cathode active material. These include, for example, UC0O2, lithium-nickel-cobalt-manganese compounds (known by the abbreviation NCM or NMC), lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide (NCA), lithium iron phosphate and other olivine compounds as well as lithium manganese Oxide Spinel (LMO). So-called over-lithiated layered oxides (OLO) can also be used.
  • NCM or NMC lithium-nickel-cobalt-manganese compounds
  • NCA lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide
  • LMO lithium manganese Oxide Spinel
  • OLO over-lithiated layered oxides
  • the cathode active material can also contain mixtures of two or more of the lithium-containing compounds mentioned.
  • the cathode active material is NMC622 (Li N ⁇ q, dM Pq, 2qqq, 2q2).
  • the cathode active material can have further additives, for example carbon or carbon-containing compounds, in particular carbon black, graphite, carbon nano tubes (CNT) and / or graphene.
  • Such additives can serve as conductivity modifiers to increase the electrical conductivity within the electrode.
  • the cathode can have a binder (electrode binder) which holds the active material and possibly the conductive material (such as conductive carbon black) together and also binds to the collector foil.
  • the electrode binder can be selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene co-polymer (PVdF-HFP), polyethylene oxide (PEO), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyacrylate, styrene-butadiene rubber (SBR), Polyvinyl pyrrolidone (PVP), carboxymethyl cellulose (CMC), mixtures and copolymers thereof.
  • PVdF polyvinylidene fluoride
  • PVdF-HFP polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene co-polymer
  • PEO polyethylene oxide
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • SBR
  • the anode active material can be selected from the group consisting of lithium metal oxides such as lithium titanium oxide, metal oxides such as Fe 2 0 3 , ZnO, ZnFe 2 0 4 , carbon-containing materials such as graphite, synthetic graphite, Natural graphite, graphene, mesocarbon, doped carbon, hard carbon, soft carbon, fullerenes, mixtures of silicon and carbon, silicon, silicon suboxide ("SiO"), silicon alloys, lithium alloys and mixtures thereof.
  • a pure lithium anode is also possible.
  • Niobium pentoxide, tin alloys, titanium dioxide, titanates, tin dioxide and silicon can also be used as electrode material for the negative electrode.
  • the anode active material is graphite.
  • the anode can have further components and additives, such as, for example, a carrier, a binding agent or conductivity improver. All of the conventional compounds and materials known in the prior art can be used as further components and additives.
  • the separators are “non-woven” separators with open porosity and can comprise fibers made of a plastic selected from the group consisting of polyimide, polyester, aramid, copolymers and mixtures thereof.
  • the separator is a non-woven fabric formed from polyester fibers.
  • the production line 10 further comprises a test stand 20 according to the invention for checking the electrode arrangements 14.
  • the test stand 20 comprises a sensor module 22 which, by means of contacts 24, can make electrical contact with the cathode collector tab 16 and the anode collector tab 18 of an electrode arrangement 14 to be tested and can carry out an impedance measurement.
  • the test stand 20 further comprises a memory module 26, an evaluation module 28 and a communication module 30.
  • the electrode arrangements 14 are provided (step S1 in FIG. 2).
  • the conveyor belt 12 is set up to move the electrode arrangements 14 arranged on the conveyor belt 12 in the direction indicated by an arrow A in FIG.
  • each of the electrode arrangements 14 is successively led to the level of the previously described test stand 20, so that the cathode arrester lug 16 and the anode arrester lug 18 of the electrode arrangement can be electrically contacted by means of the contacts 24 of the sensor module 22.
  • the sensor module 22 then carries out an impedance measurement of the electrode arrangement with an alternating current with a frequency of 1 kHz (step S2 in FIG. 2).
  • the measured value is transmitted from the sensor module 22 to the memory module 26, in which a previously established reference value is also stored.
  • the evaluation module 28 compares the measured value contained in the storage module 26 with the reference value. If the measured value deviates from the reference value by more than a previously defined tolerance range, which is also stored in the memory module 26, then in FIG Embodiment a fine circuit of the electrode arrangement 14 is detected (step S3 in Figure 2).
  • the test stand 20 can use the communication module 30 to communicate with further devices (not shown) on the production line 10, which sort out the faulty electrode arrangement 14.
  • the communication module 30 can be set up for wireless and / or wired communication with the further devices of the production line 10.
  • Table 1 shows a comparison of the inventive impedance measurement with the conventional “HiPoT” test. Electrode arrangements with a cathode, an anode and a separator each are compared.
  • the electrode arrangements are measured in a galvanic element using both test methods.
  • the electrode arrangement was built into a housing to form a galvanic element, electrolyte was filled and the galvanic element was formed, the correct functionality of the electrode arrangement could be confirmed in all cases.
  • the method according to the invention allows an earlier and at the same time reliable detection of fine connections than is possible with the conventional HiPoT test.
  • Table 1 Comparison of HiPoT and impedance measurements according to the invention.
  • the galvanic elements produced with the tested electrode arrangements were checked after formation and a standing time of 14 days to determine whether the cell voltage decreased further compared to the expected self-discharge. All cells previously checked with the method according to the invention showed no voltage drop and thus a correct functioning.

Abstract

Ein Verfahren zur Detektion von Feinschlüssen in einer Elektrodenanordnung (14) umfasst folgende Schritte: Zunächst wird die Elektrodenanordnung (14) mit mindestens einer Anode und mindestens einer Kathode bereitgestellt, wobei zwischen jeder Anode und Kathode ein Separator mit offener Porosität eingelegt ist. Anschließend wird die Impedanz der Elektrodenanordnung (14) gemessen und die gemessene Impedanz mit einem Referenzwert verglichen. Ein Feinschluss wird detektiert, wenn die gemessene Impedanz vom Referenzwert abweicht. Die Elektrodenanordnung (14) ist nicht laminiert und die Messung der Impedanz erfolgt vor dem Einbringen von Elektrolyt und einem Einbau der Elektrodenanordnung (14) in ein galvanisches Element. Ferner werden ein Teststand und eine Fertigungslinie angegeben.

Description

Verfahren zur Detektion von Feinschlüssen, Teststand und Fertigungslinie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Feinschlüssen in einer Elektrodenanordnung, einen Teststand sowie eine Fertigungslinie.
Im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionen-Batterie“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle, Lithiumionen-Batterie- Zelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Zelle“ synonym zu den Begriffen „Lithiumionen-Batterie“ und „Lithiumionen-Zelle“ genutzt. Die Lithiumionen-Batterie kann auch eine Festkörperbatterie sein, beispielsweise eine keramische oder polymerbasierte Festkörperbatterie.
Elektrodenanordnungen sind Abfolgen von mindestens zwei verschiedenen Elektroden, zumindest einer positiven (Kathode) und zumindest einer negativen Elektrode (Anode). Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf, wahlweise zusammen mit Zusätzen wie Elektrodenbindern und Leitfähigkeitszusätzen.
Zwischen jeder Kathode und Anode ist ein Separator zur elektrischen und mechanischen Isolation angeordnet. Der Separator ist jedoch für Ionen durchlässig, beispielsweise für Lithiumionen im Fall eines Separators einer Lithiumionenbatterie.
Zur Herstellung von galvanischen Elementen, beispielsweise Lithiumionen batterien, werden die Elektrodenanordnungen und Separatoren anschließend in ein Gehäuse verpackt, das mit Elektrolyt aufgefüllt wird. Aufgrund der Anwesenheit des Elektrolyten können Ionen während der Ladung bzw. Entladung des galvanischen Elements durch den Separator hindurchwandern.
Eine allgemeine Beschreibung zur Lithiumionen-Technologie findet sich in Kapitel 9 (Lithium-Ionen-Zelle, Autor Thomas Wöhrle) des „Handbuchs Lithium- lonen-Batterien“ (Herausgeber Reiner Korthauer, Springer, 2013) sowie in Kapitel 9 (Lithium-ion cell, Autor Thomas Wöhrle) des Buchs „Lithium-Ion Batteries: Basics and Applications“ (Editor Reiner Korthauer, Springer, 2018).
Während der Herstellung des galvanischen Elements muss sichergestellt werden, dass die zumindest eine Kathode und die zumindest eine Anode durch den bzw. die Separatoren zuverlässig voneinander getrennt bleiben. Ist der Separator beschädigt oder nicht korrekt ausgerichtet, kann ein sogenannter Feinschluss auftreten, das heißt ein innerer Kurzschluss zwischen Kathode und Anode. In diesem Fall ist das galvanische Element nicht einsatzfähig und muss verworfen werden.
Im Stand der Technik wird zur Detektion von derartigen Feinschlüssen der sogenannte „HiPot-Test“ verwendet. Beim HiPot-Test werden sehr hohe Spannungen von etwa 500 Volt an die Elektroden der zu überprüfenden Elektroden/Separator-Anordnung bzw. galvanischen Zelle angelegt. Stellt der Separator keine ausreichende Isolation her, beispielsweise durch eine verschobene Anordnung oder durch mechanische Beschädigungen des Separators, tritt bei diesen sehr hohen Spannungen trotz Separator ein Stromfluss auf, der detektiert werden kann, auch als Spannungsdurchschlag bezeichnet. In diesem Fall kann von einer Beschädigung der galvanischen Zelle ausgegangen werden. Wird der HiPot-Test nicht bestanden, werden die Elektroden/Separator- Anordnungen nicht weiterverarbeitet und verworfen.
In modernen galvanischen Elementen, insbesondere in Lithiumionenbatterien, kommen verstärkt sogenannte „Non-Woven“-Separatoren zum Einsatz. Derartige Separatoren weisen einen Vliesstoff mit zumeist offener Porosität auf. Darunter versteht man, dass der Separator zumindest teilweise Poren aufweist, die sich entlang einer einzelnen Achse über die gesamte Dicke des Separators erstrecken. Entsprechend liegt eine gewinkelte oder Labyrinth-Porenstruktur allenfalls in geringem Umfang vor, zumindest nicht ausschließlich. Derartige Non-Woven- Separatoren sind kommerziell verfügbar und sind aus chemisch, mechanisch und elektrochemisch hochstabilen Fasern gebildet, beispielsweise aus Polyester (DE
102009 0026 80 A1) oder Polyamid (US 7 112 389 B1).
Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung derartiger Separatoren mit offener Porosität unter Anwendung des herkömmlichen HiPot-Tests in vielen Fällen ein Feinschluss detektiert wird, selbst wenn der Separator nicht beschädigt und korrekt angeordnet ist. Es besteht daher ein Bedarf an alternativen Testverfahren, in denen auch bei Verwendung von stabilen Separatoren mit offener Porosität ein Feinschluss zuverlässig erkannt werden kann.
Aus der DE 102 07 070 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von galvanischen Elementen bekannt, bei denen Einzelzellen, aus denen Zellstapel für das galvanische Element gebildet werden sollen, als kleinste Einheit zunächst mittels einer Impedanzmessung überprüft werden. Dabei ist eine zerstörungsfreie 100%- Prüfung möglich. Als Einzelzellen kommen bei dieser Prüfung laminierte Zellen zum Einsatz. In derartigen laminierten Zellen, beispielsweise bekannt aus der EP 1 261 048 B1, sind die einzelnen Bestandteile, also Elektrode, Ableiter und Separator, beispielsweise mittels eines Kunststoffs fest und dauerhaft miteinander verbunden und können nicht zerstörungsfrei getrennt werden. Das vorgestellte Verfahren zeigt die Möglichkeit auf, dass Impedanzmessungen auch ohne Elektrolyt durchgeführt werden können, da durch Reststoffe aus dem Laminationsprozess eine ausreichende Kontaktierung der Elektroden und der Separatoren erzielt wird, um eine endliche Impedanz messbar zu machen. Jedoch eignet sich das Verfahren daher lediglich für laminierte Zellen bzw. Elektroden/Separatoren-Stapel aus mehreren laminierten Zellen. Elektrodenwickel können aus solchen laminierten Zellen nicht hergestellt werden, ohne eine Beschädigung zu riskieren.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere Möglichkeit zur zuverlässigen Detektion von Feinschlüssen in Elektrodenanordnungen bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Detektion von Feinschlüssen in einer Elektrodenanordnung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Zunächst wird die Elektrodenanordnung mit mindestens einer Anode und mindestens einer Kathode bereitgestellt, wobei zwischen jeder Anode und Kathode ein Separator mit offener Porosität eingelegt ist. Anschließend wird die Impedanz der Elektrodenanordnung gemessen und die gemessene Impedanz mit einem Referenzwert verglichen. Ein Feinschluss wird detektiert, wenn die gemessene Impedanz vom Referenzwert abweicht. Die Elektrodenanordnung ist nicht laminiert und die Messung der Impedanz erfolgt vor dem Einbringen von Elektrolyt und einem Einbau der Elektrodenanordnung in ein galvanisches Element. Erfindungsgemäß werden keine laminierten Elektroden bzw. laminierten Zellen verwendet. Mit anderen Worten sind weder die Anode, die Kathode noch der Separator fest miteinander verbunden, sondern liegen lose aufeinander angeordnet vor. Ein Zusammenhalt der Komponenten wird daher insbesondere ausschließlich durch Haftreibung der einzelnen Bestandteile der Elektrodenanordnung gewährleistet.
Die Erfinder haben erkannt, dass selbst in diesem Fall noch vor Einbau der Elektrodenanordnung in ein galvanisches Element und insbesondere vor Einfüllen von Elektrolyt eine endliche Impedanz gemessen werden kann, mittels der ein Feinschluss der Elektrodenanordnung zuverlässig detektiert werden kann. Das ist insoweit überraschend, als aufgrund der fehlenden Anbindung zwischen den Elektroden und den Separatoren Abstände und Lufteinschlüsse vorliegen können, die sehr hohe Grenzflächenwiderstände erzeugen und somit unendliche und somit nicht messbare Werte der Impedanz erwartet werden sollten. Auch liegen keine Rückstände von Laminationsprozessen vor, beispielsweise Restfeuchte, die eine entsprechende Leitfähigkeit hervorrufen sollte.
Ein sekundärer positiver Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass Non-Woven-Separatoren auch in unlaminierten Anordnungen sicher auf Feinschluss getestet und freigegeben werden können. Dadurch braucht für einen Feinschlusstest nicht zwingend eine Lamination von Non-Woven Separatoren zu erfolgen, die oft unvorteilhaft durch den Laminationsprozess beeinträchtigt werden, insbesondere durch Einwirken von hohem Druck und Temperatur.
Die offene Porosität des zumindest einen Separators ermöglicht es jedoch, auch in diesem Fall eine endliche Impedanz zu messen. Die Erfinder haben erkannt, dass die nicht vollständige elektrische Isolation derartiger Separatoren, anders als im konventionellen HiPoT-Test, unter Messbedingungen in einer Impedanzmessung vorteilhaft ausgenutzt werden können. Dabei sind für eine Impedanzmessung nur geringere Spannungen als für einen HiPot-Test notwendig, sodass sich zusätzlich der Energiebedarf und somit die Kosten des Testverfahrens reduzieren. Im konventionellen HiPoT-Test führt die nicht vollständige elektrische Isolation durch Separatoren mit offener Porosität zu einem Spannungsdurchschlag. Der Referenzwert kann im Vorfeld anhand von Elektrodenanordnungen, die eine korrekte Funktionalität aufweisen, vorbestimmt werden. Beispielsweise ist der Referenzwert ein Mittelwert der gemessenen Impedanzen von im Vorfeld vermessenen Elektrodenanordnungen mit korrekter Funktionalität. Der Referenzwert kann auch lediglich eine Untergrenze oder eine Obergrenze eines bekannten Bereichs von Impedanzwerten sein. Bei Bilayerzellen mit einer Elektrodenfläche von etwa 1800 mm2, einer Dicke von etwa 500 pm kann ein Referenzwert in der Größenordnung von etwa 40 kQ erwartet werden, bei Messung mit einer Wechselspannung von etwa 1 kHz. Großflächige PHEV1- Wickelzellen mit einer Elektrodenfläche von etwa 8000 cm2 lassen einen Referenbereich von 80 bis 120 mQ erwarten
Auch kann erfindungsgemäß eine statistische Auswertung früherer Impedanzmessungen von bekannten Elektrodenanordnungen durchgeführt werden, um einen Messbereich zu definieren, in dem gemessene Impedanzwerte im Fall funktionsfähiger Elektrodenanordnungen liegen. In dieser Variante ist der Referenzwert ein Referenzbereich.
Erfindungsgemäß erfolgt die Messung der Impedanz vor Einbau der Elektrodenanordnung in ein Gehäuse und insbesondere vor Einfüllen eines Elektrolyten in das Gehäuse. Auf diese Weise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, die Elektrodenanordnung zu überprüfen, noch bevor diese in weiteren Arbeitsschritten verarbeitet wird. Somit können fehlerhafte Elektroden anordnungen und mechanische Beschädigungen beispielsweise des Separators frühzeitig im Prozess erkannt und aussortiert werden. Dadurch verringert sich der Ausschuss in der Herstellung galvanischer Zellen und somit deren Herstellungskosten. Da sich leichte innere Feinschlüsse auch erst während der Lebensdauer der Zelle in der Anwendung bemerkbar machen können, erhöht sich auch die Zuverlässigkeit der Zelle.
Das galvanische Element ist insbesondere eine Lithiumionenbatterie.
In einer Variante wird ein Feinschluss nur detektiert, wenn die gemessene Impedanz um mehr als einen vorbestimmten Toleranzbereich vom Referenzwert abweicht. Beispielsweise kann als Toleranzbereich eine Abweichung von bis zu ±15% vom Referenzwert gewählt werden. Der Toleranzbereich kann analog zum Referenzwert durch vorherige Messung der Impedanz an Elektrodenanordnungen mit korrekter Funktionalität ermittelt werden. Insbesondere können mittels des Toleranzbereiches fertigungsbedingte Schwankungen berücksichtigt werden, die jedoch die korrekte Funktionalität der Elektrodenanordnung noch nicht in übermäßigem Maß negativ beeinflussen.
Ist der Referenzwert lediglich eine Ober- oder Untergrenze, kann der Toleranzbereich eine Abweichung um einen vorgegebenen Prozentsatz über der Obergrenze bzw. unterhalb der Untergrenze sein, beispielsweise eine Abweichung von 5% über der Obergrenze bzw. unterhalb der Untergrenze.
Ist der Referenzwert ein Mittelwert, der aus einer statistischen Analyse vorheriger Messungen ermittelt wurde, kann der Toleranzbereich ein vorgegebenes Vielfaches der Standardabweichung der Messwerte um den Referenzwert sein. Der zumindest eine Separator ist insbesondere ein Vliesstoff oder ein Papier. Vorzugsweise handelt es sich beim Separator insbesondere um einen „Non-Woven“-Separator. Derartige Separatoren können aus Kunststofffasern hergestellt werden, die mittels Extrusion aus Polymerschmelzen oder durch andere bekannte Verfahren der Faserherstellung gewonnen wurden. Als Fasern können Endlosfasern oder Stapelfasern zur Bildung der Vliesstoffe eingesetzt werden. Non-Woven-Separatoren, die zumindest teilweise aus Biopolymeren gebildet sind, sind aus der DE 102014205234 A bekannt.
Die als Separatoren eingesetzten Vliesstoffe können orientiert oder als Wirrgelege ausgebildet sein. Zur Vliesstoffherstellung können alle bekannten Verfahren, insbesondere Trockenverfahren, aerodynamische Verfahren wie Schmelz-Blasverfahren und Spunbond-Verfahren, Nassverfahren und Extrusionsverfahren verwendet werden. Die Vliesstoffe können in bekannter Weise mechanisch, chemisch oder thermisch verfestigt sein. Insbesondere müssen keine aufwendigen weiteren Verarbeitungsschritte, beispielsweise ein Strukturieren der Fasern, durchgeführt werden, um Non-Woven-Separatoren aus den Kunststofffasern herzustellen. Non-Woven-Separatoren können die mechanische, chemische, elektrochemische und thermische Stabilität der Elektrodenanordnung erhöhen.
Ferner kann der zumindest eine Separator Fasern aus einem Kunststoff umfassen, der ausgewählt ist aus der Gruppe Polyimid, Polyester, Aramid, Copolymeren und Mischungen davon. Separatoren mit Fasern aus diesen Kunststoffen weisen eine, insbesondere im Vergleich zu Polyethylen und Polypropylen, erhöhte Schmelztemperatur und Durchstossfestigkeit auf, wodurch sich die Temperaturbeständigkeit und Zuverlässigkeit der Separatoren erhöht. Zusätzlich können diese Kunststoffe mit bekannten Verfahren aus Polymerschmelzen extrudiert werden.
Der Separator hat insbesondere eine Dicke im Bereich von 8 bis 25 pm, bevorzugt von 10 bis 15 pm. Mit solch dünnen Separatoren können hohe spezifische Energien und Energiedichten in galvanischen Elementen erzielt werden, die eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung umfassen. Bei dünnen Separatoren ist es besonders wahrscheinlich, dass ein HiPot-Test falsch positiv Feinschlüsse anzeigt, sodass in diesem Fall das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft als Alternative genutzt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl auf Kleinstpouchzellen mit einer Elektrodenfläche von 2 x 4 cm als auch auf großflächige PHEV1-Zellen mit einer Elektrodenfläche von bis zu 15 x 480 cm (Wickel-PH EV1 -Zelle) oder größer angewendet werden. Die zumindest eine Kathode und die zumindest eine Anode können somit in einer Variante eine Elektrodenfläche von mindestens 800 mm2 aufweisen, bevorzugt mindestens 5.000 mm2, weiter bevorzugt mindestens 7.000 mm2, mindestens 8.000 mm2 oder mindestens 10.000 mm2.
Beispielhafte Elektrodenflächen liegen im Bereich von 800 mm2 bis 800.000 mm2, insbesondere im Bereich von 5.000 mm2 bis 20.000 mm2 oder 7.200 mm2 bis 16.200 mm2. Dementsprechend kann es sich bei den Elektroden der Elektrodenanordnung um vergleichsweise großflächige Elektroden handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch für derartige Elektrodenflächen.
Beispielhafte Abmessungen der Elektroden liegen im Bereich von 100 c 50 mm bis 200 c 100 mm, insbesondere von 120 c 60 mm bis 180 c 90 mm.
Die Elektrodenanordnung umfasst insbesondere mindestens 5 Anoden und mindestens 5 Kathoden, bevorzugt mindestens 8 Anoden und mindestens 8 Kathoden. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Verfahren gerade auch für Elektrodenanordnungen mit einer hohen Anzahl von einzelnen Elektroden verwendet werden, die jeweils noch nicht fest miteinander verbunden und/oder von einem Elektrolyten durchtränkt sind. Dadurch wird es möglich, die noch lose verbundenen Elektrodenanordnungen wieder zumindest teilweise aufzutrennen, falls ein Feinschluss mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens detektiert wird. Auf diese Weise kann die fehlerhafte Kathode oder Anode bzw. der fehlerhafte Separator identifiziert werden, während die anderen Bestandteile der Elektrodenanordnung wiederverwendet werden können.
In einer weiteren Variante, die bevorzugt zur Massenherstellung von Lithiumbatterien eingesetzt wird, kann jede einzelne Bilayerzelle aus genau einer Kathode und einer Anode mit genau einem Separator mit dem erfindungsgemäßen Verfahren getestet werden, bevor die Bilayerzellen zu einem Stapel zusammengesetzt werden. Als fehlerhaft erkannte Bilayerzellen können aussortiert und verworfen werden.
Des Weiteren kann das galvanische Element ein Zellstapel oder ein Zellwickel sein. Da die einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnung erfindungsgemäß noch nicht miteinander verbunden sind, insbesondere keine laminierten Einzelzellen verwendet werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für Zellstapel, sondern auch für Zellwickel benutzt werden. Somit können im Gegensatz zur Verwendung von laminierten Einzelzellen auch Zellwickel mittels Impedanzmessung zuverlässig überprüft werden.
Die Messung der Impedanz kann mittels eines Wechselstroms oder einer Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich von 500 Hz bis 1 ,5 kHz erfolgen, insbesondere mit einer Frequenz von 1 kHz. Bei diesen Frequenzen kann sowohl eine kurze Messzeit als auch eine hohe Zuverlässigkeit der Impedanzmessung erzielt werden.
Für die Messung der Impedanz kann der Real- und Imaginärteil der Impedanz und/oder der absolute Betrag der Impedanz verwendet werden. Mit anderen Worten kann ein phasensensitiver Wert und/oder ein Absolutwert der Impedanz verwendet werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren gelöst durch einen T eststand zur Überprüfung einer Elektrodenanordnung, der dazu eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen. Der Teststand kann insbesondere in eine Fertigungslinie zur Herstellung von galvanischen Elementen integriert sein, beispielsweise in eine Formationsanlage.
Insbesondere weist der Teststand ein Sensormodul mit Kontakten zur Kontaktierung von Ableiterfahnen der Elektrodenanordnung auf.
Ferner kann der Teststand ein Speichermodul und ein Auswertemodul umfassen. Das Speichermodul kann eine Historie von gemessenen Impedanzwerten speichern, um anhand der gespeicherten Werte eine statistische Auswertung durchführen zu können, beispielsweise um einen Referenzbereich für die Impedanzmessung zu bestimmen. Im Speichermodul kann auch der Referenzwert sowie der Toleranzbereich hinterlegt sein. Das Auswertemodul kann die vom Sensormodul gemessene Impedanz mit dem Referenzwert vergleichen.
Zusätzlich kann der Teststand ein Kommunikationsmodul aufweisen, das zum Datenaustausch mit weiteren Bestandteilen der Fertigungslinie eingerichtet ist. Somit können festgestellte Feinschlüsse an weitere Vorrichtungen der Fertigungslinie gemeldet werden, die anschließend fehlerhafte Elektrodenanordnungen aussortieren oder weiterverarbeiten können.
Die Erfindung wird des Weiteren gelöst durch eine Fertigungslinie mit einem Teststand der zuvor beschriebenen Art.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen, und den Zeichnungen. In diesen zeigen:
Figur 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Teststand in einer erfindungsgemäßen Fertigungslinie, und
Figur 2 ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Figur 1 ist ein Ausschnitt einer Fertigungslinie 10 zur Herstellung von galvanischen Elementen gezeigt.
Die Fertigungslinie 10 umfasst ein Förderband 12, auf welchem sich eine Vielzahl von Elektrodenanordnungen 14 befinden. Die Elektrodenanordnungen 14 weisen lose aufeinander angeordnet mindestens eine Anode, mindestens eine Kathode und zwischen jeder Anode und Kathode einen Separator auf, wobei die gleiche Anzahl an Kathoden und Anoden in der Elektrodenanordnung 14 enthalten ist.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst jede der Elektroden anordnungen 14 mindestens 50 Kathoden und mindestens 50 Anoden, bevorzugt mindestens 80 Kathoden und mindestens 80 Anoden, die als Zellstapel die Elektrodenanordnung 14 bilden. Grundsätzlich könnte es sich bei den Elektrodenanordnungen 14 jedoch auch um Zellwickel handeln.
Jede Elektrodenanordnung 14 weist eine Kathoden-Ableiterfahne 16 und eine Anoden-Ableiterfahne 18 auf. Die Kathoden-Ableiterfahne 16 bzw. die Anoden- Ableiterfahne 18 ist als Sammelglied einzelner Ableiterder Kathoden bzw. Anoden ausgeführt, sodass über die Kathoden-Ableiterfahne 16 alle Kathoden und über die Anoden-Ableiterfahne 18 alle Anoden der jeweiligen Elektrodenanordnung 14 elektrisch kontaktiert werden können.
Die Kathoden und die Anoden weisen jeweils zumindest ein Aktivmaterial auf.
Grundsätzlich können für das Kathoden-Aktivmaterial alle aus dem Stand der Technik bekannten Materialien eingesetzt werden. Darunter fallen zum Beispiel UC0O2, Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Verbindungen (unter der Abkürzung NCM bzw. NMC bekannt), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), Lithium- Eisenphosphat und andere Olivinverbindungen sowie Lithium-Mangan-Oxid- Spinell (LMO). Auch sogenannte Over-Lithiated Layered Oxides (OLO) können eingesetzt werden.
Das Kathoden-Aktivmaterial kann auch Mischungen aus zwei oder mehreren der genannten lithiumhaltigen Verbindungen enthalten.
In der gezeigten Ausführungsform ist das Kathoden-Aktivmaterial NMC622 ( Li N ίq,dM Pq,2qqq,2q2) .
Zusätzlich kann das Kathoden-Aktivmaterial weitere Zusätze aufweisen, beispielsweise Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltige Verbindungen, insbesondere Leitruß, Graphit, Carbon Nano Tubes (CNT) und/oder Graphen. Solche Zusätze können als Leitfähigkeitsmodifikatoren zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit innerhalb der Elektrode dienen.
Ferner kann die Kathode ein Bindemittel (Elektroden-Binder) aufweisen, welches das Aktivmaterial und ggf. das Leitmaterial (wie Leitruß) zusammenhält und zudem an die Kollektorfolie bindet. Der Elektodenbinder kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylidenfluorid- Hexafluoropropylen-Co-Polymer (PVdF-HFP), Polyethylenoxid (PEO), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylat, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Carboxymethylcellulose (CMC), Mischungen und Copolymeren davon besteht.
Das Anoden-Aktivmaterial kann ausgewählt sein aus der Gruppe, die aus Lithium-Metalloxiden, wie etwa Lithium-Titan-Oxid, Metalloxiden, wie Fe203, ZnO, ZnFe204, kohlenstoffhaltigen Materialien, wie etwa Graphit, synthetischer Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotierter Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fullerenen, Mischungen aus Silizium und Kohlenstoff, Silizium, Siliziumsuboxid („SiO“), Siliziumlegierungen, Lithiumlegierungen und Mischungen davon besteht. Auch eine reine Lithium-Anode ist möglich.
Als Elektrodenmaterial für die negative Elektrode können auch Niobpentoxid, Zinnlegierungen, Titandioxid, Titanate, Zinndioxid und Silizium eingesetzt werden.
In der gezeigten Ausführungsform ist das Anoden-Aktivmaterial Graphit.
Zusätzlich zum Anoden-Aktivmaterial kann die Anode weitere Komponenten und Zusätze aufweisen, wie beispielsweise einen Träger, ein Bindemittel oder Leitfähigkeitsverbesserer. Als weitere Komponenten und Zusätze können alle üblichen im Stand der Technik bekannten Verbindungen und Materialien eingesetzt werden.
Die Separatoren sind „Non-Woven“-Separatoren mit offener Porosität und können Fasern aus einem Kunststoff umfassen, der ausgewählt ist aus der Gruppe Polyimid, Polyester, Aramid, Copolymeren und Mischungen davon.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Separator ein aus Polyesterfasern gebildeter Vliesstoff (Non-Woven). Die Fertigungslinie 10 umfasst ferner einen erfindungsgemäßen Teststand 20 zur Überprüfung der Elektrodenanordnungen 14.
Der Teststand 20 umfasst ein Sensormodul 22, das mittels Kontakten 24 die Kathoden-Ableiterfahne 16 und die Anoden-Ableiterfahne 18 einer zu testenden Elektrodenanordnung 14 elektrisch kontaktieren und eine Impedanzmessung durchführen kann.
Der Teststand 20 umfasst ferner ein Speichermodul 26, ein Auswertemodul 28 und ein Kommunikationsmodul 30.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Detektion von Feinschlüssen in den Elektrodenanordnungen 14 beschrieben.
Zunächst werden die Elektrodenanordnungen 14 bereitgestellt (Schritt S1 in Fig. 2).
Das Förderband 12 ist dazu eingerichtet, die auf dem Förderband 12 angeordneten Elektrodenanordnungen 14 in die in Figur 1 mit einem Pfeil A eingezeichnete Richtung zu bewegen.
Somit wird jede der Elektrodenanordnungen 14 nacheinander auf die Höhe des zuvor beschriebenen Teststands 20 geführt, sodass die Kathoden- Ableiterfahne 16 und die Anoden-Ableiterfahne 18 der Elektrodenanordnung mittels der Kontakte 24 des Sensormoduls 22 elektrisch kontaktiert werden können.
Anschließend führt das Sensormodul 22 eine Impedanzmessung der Elektrodenanordnung mit einem Wechselstrom einer Frequenz von 1 kHz durch (Schritt S2 in Fig. 2).
Der gemessene Wert wird vom Sensormodul 22 an das Speichermodul 26 übermittelt, in welchem auch ein zuvor festgelegter Referenzwert hinterlegt ist.
Daraufhin vergleicht das Auswertemodul 28 den im Speichermodul 26 enthaltenen gemessenen Wert mit dem Referenzwert. Weicht der gemessene Wert um mehr als einen ebenfalls im Speichermodul 26 gespeicherten, zuvor festgelegten Toleranzbereich vom Referenzwert ab, wird in der gezeigten Ausführungsform ein Feinschluss der Elektrodenanordnung 14 detektiert (Schritt S3 in Figur 2).
Ist dies der Fall, kann der Teststand 20 mittels des Kommunikationsmoduls 30 mit weiteren (nicht dargestellten) Vorrichtungen der Fertigungslinie 10 kommunizieren, welche die fehlerhafte Elektrodenanordnung 14 aussortieren. Dazu kann das Kommunikationsmodul 30 zur drahtlosen und/oder drahtgebundenen Kommunikation mit den weiteren Vorrichtungen der Fertigungslinie 10 eingerichtet sein.
In Tabelle 1 ist ein Vergleich der erfindungsmäßen Impedanzmessung mit dem konventionellen „HiPoT“-Test gezeigt. Verglichen werden Elektrodenanordnungen mit je einer Kathode, einer Anode und einem Separator.
Die Elektrodenanordnungen werden vor dem erstmaligen Laden in einem galvanischen Element mittels beider Testverfahren vermessen.
Beim HiPoT-Test wird eine hohe Spannung von 500 V an die Elektrodenanordnung angelegt. Wird daraufhin ein Stromfluss detektiert, wird die entsprechende Elektrodenanordnung als fehlerhaft eingestuft.
Wie in Tabelle 1 zu erkennen ist, werden im Fall des HiPoT-Tests alle zehn Elektrodenanordnungen vor dem Befüllen mit Elektrolyt und Formation als fehlerhaft eingestuft, während die gleichen Elektrodenanordnungen vom erfindungsgemäßen Verfahren mittels einer Impedanzmessung als funktionsfähig erkannt werden.
Nachdem die Elektrodenanordnung in einem Gehäuse zu einem galvanischen Element verbaut, Elektrolyt eingefüllt und das galvanische Element formiert wurde, konnte in allen Fällen die korrekte Funktionalität der Elektrodenanordnung bestätigt werden.
Somit erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren bei Verwendung eines Separators mit offener Porosität eine frühere und gleichzeitig zuverlässige Detektion von Feinschlüssen als es mit dem konventionellen HiPoT-Test möglich ist. Tabelle 1: Vergleich HiPoT- und erfindungsgemäße Impedanzmessung.
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Die mit den getesteten Elektrodenanordnungen hergestellten galvanischen Elemente wurden nach Formation und einer Standzeit von 14 Tagen daraufhin überprüft, ob sich die Zellspannung im Vergleich zur erwarteten Selbstentladung weiter verringert. Alle zuvor mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überprüften Zellen zeigten keinen Spannungsabfall und damit eine korrekte Funktionsweise.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Detektion von Feinschlüssen in einer Elektrodenanordnung (14), umfassend folgende Schritte:
Bereitstellen der Elektrodenanordnung (14) mit mindestens einer Anode und mindestens einer Kathode, wobei zwischen jeder Anode und Kathode ein Separator mit offener Porosität eingelegt ist,
Messen der Impedanz der Elektrodenanordnung (14), und
Vergleichen der gemessenen Impedanz mit einem Referenzwert, wobei die Elektrodenanordnung (14) nicht laminiert ist und die Messung der Impedanz vor dem Einbringen von Elektrolyt und Einbau der Elektrodenanordnung (14) in ein galvanisches Element erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Feinschluss detektiert wird, wenn die gemessene Impedanz um mehr als einen vorbestimmten Toleranzbereich vom Referenzwert abweicht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator ein Vliesstoff ist, wobei der Separator bevorzugt aus einem Kunststoff gebildete Fasern umfasst, der ausgewählt ist aus der Gruppe Polyimid, Polyester, Aramid, Copolymeren und Mischungen davon.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator eine Dicke im Bereich 8 bis 25 pm hat, bevorzugt von 10 bis 15 pm.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kathode und die zumindest eine Anode eine Elektrodenfläche von mindestens 800 mm2 aufweist, bevorzugt mindestens 5000 mm2, weiter bevorzugt mindestens 7000 mm2, mindestens 8000 mm2 oder mindestens 10000 mm2.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenfläche in einem Bereich von 800 mm2 bis 800.000 mm2 liegt, bevorzugt 5.000 mm2 bis 20.000 mm2 oder 7.200 mm2 bis 16.200 mm2.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (14) genau eine Kathode und eine Anode mit genau einem Separator aufweist, oder dass die Elektrodenanordnung (14) mindestens 5 Anoden und mindestens 5 Kathoden umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (14) ein Zellstapel oder ein Zellwickel ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung der Impedanz ein Wechselstrom oder eine Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich 500 Hz bis 1,5 kHz verwendet wird, insbesondere von 1 kHz.
10. Teststand zur Überprüfung einer Elektrodenanordnung (14), der dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche durchzuführen.
11. Fertigungslinie für galvanische Elemente, die eine Elektroden anordnung (14) umfassen, mit einem Teststand (20) nach Anspruch 10.
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