WO2022079169A1 - Verfahren zur bereitstellung einer batteriezelle und verwendung einer solchen - Google Patents

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electrode
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cell housing
metallic foil
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Younggeun Choi
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method for providing a battery cell and its use according to the preamble of the independent patent claims.
  • Lithium-ion batteries are particularly suitable for this due to their comparatively high energy density, their good thermal stability and their low self-discharge.
  • a lithium-ion battery usually includes several battery modules.
  • a battery module is in turn made up of several battery cells.
  • a battery cell typically has a battery cell housing which accommodates an electrode unit in the form of an electrode coil or an electrode stack.
  • the battery cell housing can have a cylindrical, prismatic or foil-like design.
  • a battery cell with a film-like battery cell housing is also referred to as a pouch cell.
  • Such a battery cell is primarily characterized by its low weight.
  • manufacturing processes and charging and discharging processes for individual battery cells are currently being researched and further developed.
  • a manufacturing method for a battery cell is known from document JP 2011044333A, in which the individual method steps are optimized with regard to increasing the cell capacity.
  • a battery cell is known from document US 2016254572A1, in which a pretreatment method step of an electrode is carried out to extend the service life of the battery cell concerned
  • the subject matter of the present invention is a method for providing a battery cell.
  • the method according to the invention comprises a first method step, in which at least one electrode unit is inserted into a battery cell housing of the battery cell.
  • the at least one electrode unit has a first electrode, a second electrode and a separator which separates the first electrode from the second electrode.
  • the method according to the invention also includes a second method step, in which a metallic foil is accommodated in the battery cell housing. Said metallic foil is removed from the battery cell housing again in a later method step of the method according to the invention. This later method step takes place after the second method step described above.
  • the metallic foil can be regarded as an auxiliary electrode in addition to the first and the second electrode of the at least one electrode unit.
  • the metallic foil can serve as an auxiliary electrode together with the first electrode of the at least one electrode unit as an electrode unit be interconnected. If the metallic foil and the first electrode of the at least one electrode unit or several first electrodes are connected to a charging circuit, charge carriers in the form of lithium ions are transported from the first electrode of the at least one electrode unit or from the first electrodes to the metallic foil as the auxiliary electrode. The removal of the lithium ions from the first electrodes changes their redox potential in such a way that the difference in the redox potentials between the first and second electrodes increases.
  • the redox potentials have a direct influence on the cell voltage, which in turn determines the specific energy of a battery cell together with the amount of active material in the or the second electrode. Due to the increase in the redox potential at the first electrodes, the amount of electrode active material in the second electrodes can be reduced. The manufacturing costs of such a battery cell can thus be reduced.
  • the battery cell housing is formed like a film.
  • a foil-like housing comprises relatively few structural components.
  • a cover assembly for a housing cover can be omitted in a film-type housing.
  • the foil-like housing can be closed in a simple manner, for example by means of heat sealing.
  • the metallic foil is made of copper or nickel, since such a metallic foil can be used as the negative electrode in the battery cell.
  • the metallic foil is arranged on the at least one electrode unit in such a way that the metallic foil which covers the at least one electrode unit over the entire surface on at least one large area.
  • the metallic foil is advantageously arranged on that electrode whose collector tab is made of the same material as the metallic foil. This means that no additional separator has to be arranged between the metallic foil and the at least one electrode unit.
  • the electrolyte can be a solvent, for example, in which one or more electrically conductive salts are dissolved.
  • the electrolyte may contain propylene carbonate.
  • the electrolyte can be introduced into the interior of the battery cell housing through an opening.
  • the third process step is also referred to as wetting, in which case the pores of the porous separator are filled with the electrolyte. This process step can take about eight hours.
  • the battery cell housing is then closed, for example sealed.
  • the conductor lugs of the electrodes of the at least one electrode unit and the metallic foil are advantageously led out of the battery cell housing for external electrical contacting, for example with a charging device.
  • the discharge tabs of the electrodes, which protrude beyond the battery cell housing, can be positioned next to one another at a distance.
  • the corresponding conductor tab of the metallic foil can be arranged on an adjacent side or an opposite side of the battery cell housing. Provision is also made for the battery cell to be charged in a fourth method step using a charger arranged outside the battery cell housing, with the metallic foil and one of the electrodes of the at least one electrode unit functioning as two opposite-polarity electrodes of the battery cell.
  • the metallic foil advantageously acts as an anode and one electrode of the at least one electrode unit acts as a cathode.
  • the sixth method step can be carried out in such a way that first one side of the battery cell housing, from which the conductor tab of the metallic foil protrudes, is cut open. The metallic foil is then removed from the battery cell housing through the cut side of the battery cell housing.
  • the metallic foil covers the at least one electrode unit over its entire surface on at least one large area and also partially protrudes beyond the at least one electrode unit, it can be easily recognized from outside the battery cell housing in which areas of the battery cell only the metallic foil is contained. This way can the battery cell housing can be cut relatively easily without mechanically damaging the at least one electrode unit.
  • gases formed in the battery cell case during the fourth and fifth method steps are removed from the battery cell case by the cutting open. This means that no additional process step for degassing has to be carried out.
  • the first and the second electrode of the at least one electrode are pressed onto one another and the distance between the two electrodes is thus reduced. This enables a relatively short distance for ion transport between the two electrodes.
  • the transport resistance and the internal resistance can thus be kept as small as possible within the battery cell.
  • the battery cell can be installed in a battery module, for example.
  • the battery cell provided according to the method according to the invention is used in motor vehicles, in particular in electric vehicles, hybrid vehicles and plug-in hybrid vehicles. Short description of the figures
  • FIG. 1 shows an exemplary process diagram of a method according to the invention
  • FIG. 2 shows a sectional view of a battery cell provided according to a third method step of the method in FIG.
  • FIG. 3 shows a sectional view of a battery cell provided according to a fourth method step of the method in FIG.
  • FIG. 4 shows a sectional view of a battery cell provided according to a fifth method step of the method in FIG.
  • FIG. 5 shows a sectional view of a battery cell completed according to the method in FIG.
  • FIG. 1 shows an exemplary process diagram of a method 10 according to the invention for providing a battery cell.
  • the method 10 is explained using the schematic representations of the battery cells 20, 50 in Figures 2 to 5.
  • the same reference numerals designate the same components, respectively.
  • a battery cell housing 202 designed like a film.
  • the battery cell housing 202 can be made of aluminum, for example.
  • the foil-like battery cell housing 202 can be designed as a bag with one or more open sides.
  • the first electrode 204, 214 is made, for example, from a first collector film 214 and a first collector tab 204 connected to the first collector film 214.
  • the first conductor tab 204 can be welded to the first conductor foil 214, for example.
  • the first conductor foil 214 and the first conductor tab 204 can be designed in one piece.
  • the first electrode 204, 214 also includes an electrode material that is applied to the first conductor foil 214.
  • the electrode material is a composition of an electrode active material and an additive.
  • Other materials for connecting the electrode active material to the additive, such as binders, are also conceivable.
  • the electrode active material includes lithium iron phosphate, for example, and for use in an anode, for example, graphite.
  • the second electrode 206, 216 can also be designed to correspond to the first electrode 204, 214, for example.
  • the second electrode 206, 216 thus comprises, for example, a second conductor foil 216 and a second conductor tab 206.
  • the first electrode 204, 214 is provided as a cathode and the second electrode 206, 216 is provided as an anode.
  • the separator is positioned between the first collector film 214 and the second collector film 216, for example, in order to prevent a short circuit between the first electrode 204, 214 and the second electrode 206, 216.
  • a metallic foil 208 , 218 is then introduced into the battery cell housing 202 in a second method step 102 .
  • the metallic foil 208 , 218 can be inserted through an open side of the battery cell housing 202 .
  • the metallic foil 208, 218, which includes a third collector foil 218 and a third collector tab 208 connected to the third collector foil 218, can be made of copper or nickel, for example.
  • the third collector foil 218 of the metallic foil 208, 218 is designed in such a way that the first collector foil 204 of the first electrode 204, 214 and the second collector foil 206 of the second electrode 206, 216 are completely covered by the third collector foil 218, at least on one large area.
  • the metallic foil 208, 218 is preferably applied to the second electrode 206, 216, which has a collector tab 206 made of copper having.
  • the second electrode 206, 216 has the same polarity as the metallic foil 208, 218, for example. As a result, no second separator has to be arranged between the metallic foil 208, 218 and the second electrode 206, 216.
  • the battery cell housing 202 is filled with an electrolyte and then closed.
  • the one or more open sides of the battery cell housing 202 can be closed by means of a heated sealing device.
  • the first, the second and the third conductor lugs 204, 206, 208 each have a strip-like area made of a polymer, for example, which is connected to the battery cell housing 202 in a materially bonded manner.
  • a fourth method step 104 the battery cell 20 is charged or partially charged by means of a charging device 30 arranged outside of the battery cell housing 202 .
  • a charging circuit of the battery cell 20 is formed in such a way that the metallic foil 208, 218 and the first electrode 204, 214 function as two opposite-polarity electrodes of the battery cell.
  • the charging parameters preferably relate to 3% to 15% of the nominal capacity of the first electrode 204, 214.
  • the battery cell 20 is charged or partially charged once more by means of the charging device 30 arranged outside the battery cell housing 202.
  • the first electrode 204, 214 and the second electrode 206, 216 act as two opposite-polarity electrodes of the battery cell 20.
  • the metallic foil 208, 218 is not connected to the corresponding charging circuit.
  • the charging current is less than 1C and the battery cell 20 is preferably charged to a state of charge (SOC) of less than 80%.
  • the metallic foil 208 , 218 is then removed from the battery cell housing 202 in a sixth method step 106 .
  • the metallic foil 208 , 218 is removed from the open side of the battery cell housing 202 .
  • a region of the metallic foil 208, 218 can be partially severed, for example when the battery cell housing 202 is opened.
  • the area of the metallic foil 208, 218 that protrudes beyond the first or second collector foil 214, 216 can be cut off.
  • the battery cell housing 202 is closed again in a seventh method step 107, preferably under vacuum, with the formation of a further battery cell housing 502.
  • This method step 107 serves to ensure that gases are no longer present in the further battery cell housing 502 formed according to the seventh method step 107 .
  • the battery cell 50 is charged and discharged several times by means of the charging device 30 arranged outside the battery cell housing 502 .
  • FIG. 2 shows a sectional view of a battery cell 20 as is present after the third method step 103 described above.
  • the battery cell 20 includes, for example, a battery cell housing 202, which is designed in the form of a bag. Furthermore, the battery cell 20 comprises a first electrode 204, 214 and a second electrode 206, 216 and a separator arranged between them, which is not shown.
  • the first electrode 204, 214 and the second electrode 206, 216 each comprise a rectangular first and second collector foil 214, 216 and a first and second collector tab 204, 206.
  • On the second electrode 206, 216 is a metallic foil 208, 218 upset.
  • the metallic foil 208, 218 is designed to correspond to the first and second electrodes 204, 214, 206, 216.
  • the metallic foil 208 , 218 has a rectangular third collector foil 218 and a rectangular collector tab 208 .
  • the third conductor foil 218 and the third conductor tab 208 are made, for example, from the same metal, e.g. copper, executed.
  • the third collector foil 218 preferably has a larger area than the first collector foil 214 or the second collector foil 216.
  • a charger 30 is shown schematically in FIG.
  • the charger 30 is arranged outside of the battery cell housing 202 .
  • the first electrode 204, 214 and the metallic foil 208, 218 are connected to the charging device 30 according to a fourth method step 104 of the method 10 described above.
  • the first electrode 204, 214 and the second electrode 206, 216 are connected to the charger 30 according to a fifth method step 105 of the method 10 described above.
  • FIG. 5 shows a sectional view of a battery cell 50 as is present after the seventh method step 107 or the eighth method step 108 of the method 10 described above.
  • the battery cell 50 includes a film-like battery cell housing 502 in which a first electrode 204, 214 and a second electrode 206, 216 are accommodated. Furthermore, the battery cell 50 includes a separator which is arranged between the first electrode 204, 214 and the second electrode 206, 216. The separator is not shown in FIG.
  • the battery cell 50 described above is used in motor vehicles, for example. Other areas of application are, for example, e-bikes and electric tools.

Abstract

Es wird ein Verfahren (10) zur Bereitstellung einer Batteriezelle (50) beschrieben, wobei in einem ersten Verfahrensschritt (101) mindestens eine Elektrodeneinheit mit einer ersten Elektrode (204, 214), einer zweiten Elektrode (206, 216) und einem dazwischen angeordneten Separator in ein Batteriezellengehäuse (202) unter Ausbildung einer Batteriezelle (20) eingeführt wird und wobei in einem zweiten Verfahrensschritt (102) eine metallische Folie (208, 218) in das Batteriezellengehäuse (202) aufgenommen wird, die in einem späteren Verfahrensschritt (106) wieder aus dem Batteriezellengehäuse (202) entfernt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Bereitstellung einer Batteriezelle und Verwendung einer solchen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung einer Batteriezelle und deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Zur Umsetzung der Elektromobilität werden wiederaufladbare Batterien zur mehrfachen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie verwendet. Dafür sind Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer vergleichsweise großen Energiedichte, ihrer guten thermischen Stabilität und ihrer geringen Selbstentladung besonders geeignet.
Eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst in der Regel mehrere Batteriemodule. Ein Batteriemodul setzt sich wiederum aus mehreren Batteriezellen zusammen.
Eine Batteriezelle weist typischerweise ein Batteriezellengehäuse auf, welches eine Elektrodeneinheit in Form eines Elektrodenwickels oder eines Elektrodenstapels aufnimmt. Je nach Anforderungen kann das Batteriezellengehäuse zylindrisch, prismatisch oder folienartig ausgestaltet sein.
Eine Batteriezelle mit einem folienartigen Batteriezellengehäuse wird auch als Pouchzelle bezeichnet. Eine derartige Batteriezelle ist vor allem durch ihr geringes Gewicht gekennzeichnet. Hinsichtlich der Optimierung der die Lithium-Ionen-Batterien kennzeichnenden Eigenschaften wie etwa der spezifischen Energiedichte werden aktuell Herstellungsverfahren und Lade- bzw. Entladeverfahren einzelner Batteriezellen erforscht und weiterentwickelt.
Aus dem Dokument JP 2011044333A ist ein Herstellungsverfahren einer Batteriezelle bekannt, bei dem die einzelnen Verfahrensschritte hinsichtlich der Vergrößerung der Zellkapazität optimiert sind.
Ferner ist aus dem Dokument US 2016254572A1 eine Batteriezelle bekannt, bei der ein Vorbehandlungsverfahrensschritt einer Elektrode zur Verlängerung der Lebensdauer der betroffenen Batteriezelle durchgeführt wird
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bereitstellung einer Batteriezelle.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen ersten Verfahrensschritt, bei dem zumindest eine Elektrodeneinheit in ein Batteriezellengehäuse der Batteriezelle eingeführt wird. Die zumindest eine Elektrodeneinheit weist hierbei eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und einen Separator auf, welcher die erste Elektrode von der zweiten Elektrode trennt. Weiter umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen zweiten Verfahrensschritt, bei dem eine metallische Folie in das Batteriezellengehäuse aufgenommen wird. Die besagte metallische Folie wird in einem späteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wieder aus dem Batteriezellengehäuse entfernt. Dieser spätere Verfahrensschritt erfolgt zeitlich nach dem vorbeschriebenen zweiten Verfahrensschritt.
Hierbei kann die metallische Folie als Hilfselektrode neben der ersten und der zweiten Elektrode der zumindest einen Elektrodeneinheit betrachtet werden. Beispielsweise kann die metallische Folie als Hilfselektrode zusammen mit der ersten Elektrode der zumindest einen Elektrodeneinheit als Elektrodeneinheit zusammengeschaltet werden. Werden die metallische Folie und die erste Elektrode der zumindest einen Elektrodeneinheit bzw. mehrere erste Elektroden an einem Ladestromkreis angeschlossen, werden Ladungsträger in Form von Lithiumionen von der ersten Elektrode der zumindest einen Elektrodeneinheit oder von den ersten Elektroden zu der metallischen Folie als Hilfselektrode transportiert. Durch die Auslagerung der Lithiumionen aus den ersten Elektroden wird deren Redoxpotential derart verändert, dass sich die Differenz der Redoxpotentiale zwischen der oder den ersten und zweiten Elektroden erhöht. Die Redoxpotentiale haben dabei einen unmittelbaren Einfluss auf die Zellspannung, welche wiederum zusammen mit der Menge an Aktivmaterial in der oder den zweiten Elektroden die spezifische Energie einer Batteriezelle bestimmt. Durch den Anstieg des Redoxpotentials an den ersten Elektroden kann die Menge an Elektrodenaktivmaterial in den zweiten Elektroden reduziert werden. Die Herstellungskosten einer derartigen Batteriezelle können somit verringert werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Batteriezellengehäuse folienartig ausgebildet.
Der technische Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass ein folienartiges Gehäuse relativ wenige Baukomponenten umfasst. Eine Deckelbaugruppe für einen Gehäusedeckel kann bei einem folienartigen Gehäuse entfallen. Darüber hinaus kann das folienartige Gehäuse auf einfache Weise, beispielsweise mittels Heißsiegeln, verschlossen werden.
Weiter ist vorteilhaft, wenn die metallische Folie aus Kupfer oder Nickel bereitgestellt wird, da eine derartige metallische Folie als negative Elektrode in der Batteriezelle verwendet werden kann.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn in dem zweiten Verfahrensschritt die metallische Folie derart auf der zumindest einen Elektrodeneinheit angeordnet wird, dass die metallische Folie die zumindest eine Elektrodeneinheit auf deren zumindest einer Großfläche vollflächig bedeckt.
Dabei wird die metallische Folie vorteilhafterweise auf derjenigen Elektrode angeordnet, deren Ableiterfähnchen aus demselben Material wie die metallische Folie ausgeführt ist. Damit muss kein zusätzlicher Separator zwischen der metallischen Folie und der zumindest einen Elektrodeneinheit angeordnet werden.
Ferner ist es vorgesehen, dass das Batteriezellengehäuse in einem dritten Verfahrensschritt mit einem Elektrolyten befüllt und anschließend verschlossen wird.
Der Elektrolyt kann dabei beispielsweise ein Lösungsmittel sein, in dem ein oder mehrere elektrisch leitfähige Salze gelöst sind. Beispielsweise kann der Elektrolyt Propylencarbonat enthalten. Der Elektrolyt kann durch eine Öffnung des Batteriezellengehäuses in dessen Innenraum eingeführt werden. Der dritte Verfahrensschritt wird auch als Benetzung bezeichnet, wobei die Poren des porösen Separators mit dem Elektrolyten gefüllt werden. Dieser Verfahrensschritt kann etwa acht Stunden dauern.
Aufgrund der hohen Reaktionsfähigkeit des Elektrolyten mit der Umgebungsfeuchtigkeit wird das Batteriezellengehäuse anschließend verschlossen, beispielsweise versiegelt.
Aus dem Batteriezellengehäuse hinaus werden vorteilhafterweise die Ableiterfähnchen der Elektroden der zumindest einen Elektrodeneinheit und der metallischen Folie zur externen elektrischen Kontaktierung beispielsweise mit einem Ladegerät herausgeführt. Dabei können die Ableiterfähnchen der Elektroden, welche über das Batteriezellengehäuse hinausragen, in einem Abstand nebeneinander positioniert werden. Das entsprechende Ableiterfähnchen der metallischen Folie kann auf einer benachbarten Seite oder einer gegenüberliegenden Seite des Batteriezellengehäuses angeordnet werden. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Batteriezelle in einem vierten Verfahrensschritt mittels eines außerhalb des Batteriezellengehäuses angeordneten Ladegerätes geladen wird, wobei die metallische Folie und eine der Elektroden der zumindest einen Elektrodeneinheit als zwei gegenpolige Elektroden der Batteriezelle fungieren. Dabei fungiert die metallische Folie vorteilhafterweise als Anode und die eine Elektrode der zumindest einen Elektrodeneinheit als Kathode.
Weiter ist es vorgesehen, dass die Batteriezelle in einem fünften Verfahrensschritt mittels des außerhalb des Batteriezellengehäuses angeordneten Ladegerätes geladen wird, wobei die erste und die zweite Elektrode der zumindest einen Elektrodeneinheit als zwei gegenpolige Elektroden der Batteriezelle fungieren.
Dabei werden weitere Ladungsträger in Form von Lithiumionen aus der ersten Elektrode ausgelagert, die in dem vorbeschriebenen vierten Verfahrensschritt mit der metallischen Folie mittels des Ladegerätes elektrisch verbunden worden ist. Auf diese Weise steigt das Redoxpotential an der ersten Elektrode weiter an. Die Zellspannung der Batteriezelle wird damit weiter gesteigert.
Weiter ist es vorgesehen, dass die metallische Folie in einem sechsten Verfahrensschritt aus dem Batteriezellengehäuse entfernt wird.
Der sechste Verfahrensschritt kann derart erfolgen, dass zunächst eine Seite des Batteriezellengehäuses, aus der das Ableiterfähnchen der metallischen Folie hinausragt, aufgeschnitten wird. Anschließend wird die metallische Folie durch die aufgeschnittene Seite des Batteriezellengehäuses aus dem Batteriezellengehäuse herausgenommen.
Da die metallische Folie die zumindest eine Elektrodeneinheit auf deren zumindest einer Großfläche vollflächig bedeckt und darüber hinaus teilweise über die zumindest eine Elektrodeneinheit übersteht, kann von außerhalb des Batteriezellengehäuses leicht erkannt werden, in welchen Bereichen der Batteriezelle lediglich die metallische Folie enthalten ist. Auf diese Weise kann das Batteriezellengehäuse relativ einfach eingeschnitten werden, ohne die zumindest eine Elektrodeneinheit dabei mechanisch zu beschädigen.
Darüber hinaus werden Gase, die während des vierten und des fünften Verfahrensschrittes in dem Batteriezellengehäuse gebildet worden ist, durch das Aufschneiden aus dem Batteriezellengehäuse entfernt. Somit muss kein zusätzlicher Verfahrensschritt zur Entgasung durchgeführt werden.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Batteriezellengehäuse in einem siebten Verfahrensschritt unter Vakuum erneut verschlossen wird.
Dadurch werden die erste und die zweite Elektrode der zumindest einen Elektrode aufeinander gepresst und damit der Abstand zwischen den beiden Elektroden reduziert. Dies ermöglicht eine relativ kurze Distanz für einen lonentransport zwischen den beiden Elektroden. Der Transportwiderstand und der Innenwiderstand können somit innerhalb der Batteriezelle möglichst klein gehalten werden.
Es ist ferner vorgesehen, dass die Batteriezelle in einem achten Verfahrensschritt mittels des außerhalb des Batteriezellengehäuse angeordneten Ladegerätes mehrmals aufgeladen und entladen wird.
Diese Maßnahme dient der chemischen Stabilität innerhalb der Batteriezelle. Nach dem achten Verfahrensschritt kann die Batteriezelle beispielsweise in ein Batteriemodul eingebaut werden.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellte Batteriezelle findet Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in elektrischen Fahrzeugen, Hybridfahrzeugen sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen. Kurze Beschreibung der Figuren
In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 ein beispielhaftes Prozessschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2 eine Schnittansicht einer gemäß einem dritten Verfahrensschritt des Verfahrens in Figur 1 bereitgestellten Batteriezelle,
Figur 3 eine Schnittansicht einer gemäß einem vierten Verfahrensschritt des Verfahrens in Figur 1 bereitgestellten Batteriezelle,
Figur 4 eine Schnittansicht einer gemäß einem fünften Verfahrensschritt des Verfahrens in Figur 1 bereitgestellten Batteriezelle und
Figur 5 eine Schnittansicht einer gemäß dem Verfahren in Figur 1 fertiggestellten Batteriezelle.
In Figur 1 ist ein beispielhaftes Prozessschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens 10 zur Bereitstellung einer Batteriezelle dargestellt. Das Verfahren 10 wird anhand den schematischen Darstellungen der Batteriezellen 20, 50 in den Figuren 2 bis 5 erläutert. In den Figuren 2 bis 5 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen jeweils die gleichen Komponenten.
In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird ein Elektrodenstapel mit einer ersten Elektrode 204, 214, einer zweiten Elektrode 206, 216 und einem dazwischen angeordneten Separator in ein folienartig ausgebildetes Batteriezellengehäuse 202 eingeführt. Das Batteriezellengehäuse 202 kann beispielsweise aus Aluminium ausgeführt sein. Ferner kann das folienartige Batteriezellengehäuse 202 als ein Beutel mit einer oder mehreren offenen Seiten ausführt sein. Die erste Elektrode 204, 214 ist beispielsweise aus einer ersten Ableiterfolie 214 und einem mit der ersten Ableiterfolie214 verbundenen ersten Ableiterfähnchen 204 ausgeführt. Das erste Ableiterfähnchen 204 kann beispielsweise mit der ersten Ableiterfolie 214 verschweißt sein. Alternativ können die erste Ableiterfolie 214 und das erste Ableiterfähnchen 204 einstückig ausgestaltet sein. Die erste Elektrode 204, 214 umfasst weiter ein Elektrodenmaterial, das auf die erste Ableiterfolie 214 aufgebracht ist. Das Elektrodenmaterial ist hierbei eine Zusammensetzung aus einem Elektrodenaktivmaterial und einem Additiv. Weitere Materialien zur Verbindung des Elektrodenaktivmaterial mit dem Additiv wie bspw. Binder sind dabei auch denkbar. Für die Anwendung in einer Kathode weist das Elektrodenaktivmaterial beispielsweise Lithium- Eisenphosphat auf und für die Anwendung in einer Anode bspw. Graphit. Die zweite Elektrode 206, 216 kann beispielsweise ebenfalls der ersten Elektrode 204, 214 entsprechend ausgeführt sein. Die zweite Elektrode 206, 216 umfasst so beispielsweise eine zweite Ableiterfolie 216 und ein zweites Ableiterfähnchen 206. Dabei ist die erste Elektrode 204, 214 als eine Kathode und die zweite Elektrode 206, 216 als eine Anode vorgesehen. Der Separator wird beispielsweise zwischen der ersten Ableiterfolie214 und der zweiten Ableiterfolie216 positioniert, um einen Kurzschluss zwischen der ersten Elektrode 204, 214 und der zweiten Elektrode 206, 216 zu unterbinden.
Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt 102 eine metallische Folie 208, 218 in das Batteriezellengehäuse 202 eingeführt. Dabei kann die metallische Folie 208, 218 durch eine offene Seite des Batteriezellengehäuses 202 eingeschoben werden. Die metallische Folie 208, 218, die eine dritte Ableiterfolie 218 und ein mit der dritten Ableiterfolie 218 verbundenes drittes Ableiterfähnchen 208 umfasst, kann beispielsweise aus Kupfer oder Nickel ausgeführt sein. Die dritte Ableiterfolie 218 der metallischen Folie 208, 218 wird derart ausgestaltet, dass die erste Ableiterfolie 204 der ersten Elektrode 204, 214 und die zweite Ableiterfolie 206 der zweiten Elektrode 206, 216 zumindest auf deren einer Großfläche vollflächig von der dritten Ableiterfolie 218 bedeckt werden. Dabei wird die metallische Folie 208, 218 vorzugsweise auf der zweiten Elektrode 206, 216 aufgebracht, die ein Ableiterfähnchen 206 aus Kupfer aufweist. Die zweite Elektrode 206, 216 weist dabei bspw. dieselbe Polarität wie die metallische Folie 208, 218 auf. Dadurch muss kein zweiter Separator zwischen der metallischen Folie 208, 218 und der zweiten Elektrode 206, 216 angeordnet werden.
Weiter wird in einem dritten Verfahrensschritt 103 das Batteriezellengehäuse 202 mit einem Elektrolyten befüllt und anschließend verschlossen. Dabei kann die eine oder die mehreren offenen Seiten des Batteriezellengehäuses 202 mittels eines aufgeheizten Siegelgerätes verschlossen werden. Das erste, das zweite sowie das dritte Ableiterfähnchen 204, 206, 208 weisen dabei beispielsweise jeweils einen streifenartigen Bereich aus einem Polymer auf, der mit dem Batteriezellengehäuse 202 stoffschlüssig verbunden wird.
Weiterhin wird in einem vierten Verfahrensschritt 104 die Batteriezelle 20 mittels eines außerhalb des Batteriezellengehäuses 202 angeordneten Ladegerätes 30 geladen bzw. teilaufgeladen. Dabei wird ein Ladestromkreis der Batteriezelle 20 derart gebildet, dass die metallische Folie 208, 218 und die erste Elektrode 204, 214 als zwei gegenpolige Elektroden der Batteriezelle fungieren. Die Ladeparameter beziehen sich vorzugsweise auf 3% bis 15% der Nennkapazität der ersten Elektrode 204, 214.
Ferner wird in einem fünften Verfahrensschritt 105 die Batteriezelle 20 mittels des außerhalb des Batteriezellengehäuses 202 angeordneten Ladegerätes 30 ein weiteres Mal geladen bzw. teilaufgeladen. Dabei fungieren die erste Elektrode 204, 214 und die zweite Elektrode 206, 216 als zwei gegenpolige Elektroden der Batteriezelle 20. Die metallische Folie 208, 218 wird dabei nicht an den entsprechenden Ladestromkreis angeschlossen. Der Ladestrom beträgt dabei weniger als 1C und die Batteriezelle 20 wird vorzugsweise bis zu einem Ladezustand (auf Englisch: state of charge, SOC) von kleiner als 80% aufgeladen.
Anschließend wird die metallische Folie 208, 218 in einem sechsten Verfahrensschritt 106 aus dem Batteriezellengehäuse 202 entfernt. Dabei wird zuerst das Batteriezellengehäuse 202 entlang der Seite, an der das dritte Ableiterfähnchen 208 der metallischen Folie 208, 218 angeordnet ist, geöffnet. Aus der geöffneten Seite des Batteriezellengehäuses 202 wird die metallische Folie 208, 218 herausgenommen. Ein Bereich der metallischen Folie 208, 218 kann bspw. beim Öffnen des Batteriezellengehäuses 202 teilweise abgetrennt werden. Dabei kann vor allem der Bereich der metallischen Folie 208, 218 abgeschnitten werden, der über die erste bzw. zweite Ableiterfolie214, 216 übersteht.
Weiter wird das Batteriezellengehäuse 202 in einem siebten Verfahrensschritt 107 vorzugsweise unter Vakuum unter Ausbildung eines weiteren Batteriezellengehäuses 502 erneut verschlossen. Dieser Verfahrensschritt 107 dient dazu, dass Gase in dem gemäß dem siebten Verfahrensschritt 107 ausgebildeten weiteren Batteriezellengehäuse 502 nicht mehr vorhanden sind.
Weiterhin wird die Batteriezelle 50 in einem achten Verfahrensschritt 108 mittels des außerhalb des Batteriezellengehäuses 502 angeordneten Ladegerätes 30 mehrmals aufgeladen und entladen.
In Figur 2 ist eine Schnittdarstellung einer Batteriezelle 20 dargestellt, wie sie nach dem vorbeschriebenen dritten Verfahrensschritt 103 vorliegt.
Die Batteriezelle 20 umfasst beispielsweise ein Batteriezellengehäuse 202, das in Form eines Beutels ausgeführt ist. Weiter umfasst die Batteriezelle 20 eine erste Elektrode 204, 214 und eine zweite Elektrode 206, 216 und einen dazwischen angeordneten Separator, welcher nicht dargestellt ist.
Die erste Elektrode 204, 214 und die zweite Elektrode 206, 216 umfassen jeweils eine rechteckige erste bzw. zweite Ableiterfolie 214, 216 und ein erstes bzw. zweites Ableiterfähnchen 204, 206. Auf der zweiten Elektrode 206, 216 ist eine metallische Folie 208, 218 aufgebracht. Die metallische Folie 208, 218 ist der ersten und der zweiten Elektrode 204, 214, 206, 216 entsprechend ausgestaltet. Die metallische Folie 208, 218 weist eine rechteckige dritte Ableiterfolie 218 und ein rechteckiges Ableiterfähnchen 208 auf. Dabei sind die dritte Ableiterfolie 218 und das dritte Ableiterfähnchen 208 beispielsweise aus demselben Metall, bspw. Kupfer, ausgeführt. Die dritte Ableiterfolie 218 hat vorzugsweise eine größere Großfläche als die erste Ableiterfolie 214 bzw. die zweite Ableiterfolie 216.
In Figur 3 ist neben der vorbeschriebenen Batteriezelle 20 ein Ladegerät 30 schematisch dargestellt. Das Ladegerät 30 ist außerhalb des Batteriezellengehäuses 202 angeordnet. Dabei sind die erste Elektrode 204, 214 und die metallische Folie 208, 218 gemäß einem vierten Verfahrensschritt 104 des vorbeschriebenen Verfahrens 10 an dem Ladegerät 30 angeschlossen.
In Figur 4 sind die erste Elektrode 204, 214 und die zweite Elektrode 206, 216 gemäß einem fünften Verfahrensschritt 105 des vorbeschriebenen Verfahrens 10 an dem Ladegerät 30 angeschlossen.
In Figur 5 ist eine Schnittdarstellung einer Batteriezelle 50 dargestellt, wie sie nach dem siebten Verfahrensschritt 107 oder dem achten Verfahrensschritt 108 des vorbeschriebenen Verfahrens 10 vorliegt.
Die Batteriezelle 50 umfasst ein folienartiges Batteriezellengehäuse 502, in welchem eine erste Elektrode 204, 214 und eine zweite Elektrode 206, 216 aufgenommen sind. Ferner umfasst die Batteriezelle 50 einen Separator, welcher zwischen der ersten Elektrode 204, 214 und der zweiten Elektrode 206, 216 angeordnet ist. Der Separator ist in Figur 5 nicht dargestellt.
Die vorbeschriebene Batteriezelle 50 findet beispielsweise Anwendung in Kraftfahrzeugen. Weitere Anwendungsgebiete sind beispielsweise E-Bikes und elektrische Werkzeuge.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bereitstellung einer Batteriezelle, wobei in einem ersten Verfahrensschritt (101) mindestens eine Elektrodeneinheit mit einer ersten Elektrode (204, 214), einer zweiten Elektrode (206, 216) und einem dazwischen angeordneten Separator in ein Batteriezellengehäuse (202) unter Ausbildung einer Batteriezelle (20) eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Verfahrensschritt (102) eine metallische Folie (208, 218) in das Batteriezellengehäuse (202) aufgenommen wird, die in einem späteren Verfahrensschritt (106) wieder aus dem Batteriezellengehäuse (202) entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellengehäuse (202, 502) folienartig ausgebildet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Folie (208, 218) aus Kupfer oder Nickel bereitgestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Verfahrensschritt (102) die metallische Folie (208, 218) derart auf der zumindest einen Elektrodeneinheit (204, 214, 206, 216) angeordnet wird, dass die metallische Folie (208, 218) die zumindest eine Elektrodeneinheit (204, 214, 206, 216) auf deren zumindest einer Großfläche (214, 216) vollflächig bedeckt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Verfahrensschritt (103) das Batteriezellengehäuse (202) mit einem Elektrolyten befüllt und anschließend verschlossen wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Verfahrensschritt (104) die Batteriezelle (20) mittels eines außerhalb des Batteriezellengehäuses (202) angeordneten Ladegerätes (30) geladen wird, wobei die metallische Folie (208, 218) und eine der Elektroden (204, 214, 206, 216) der zumindest einen Elektrodeneinheit als zwei gegenpolige Elektroden der Batteriezelle (20) fungieren. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem fünften Verfahrensschritt (105) die Batteriezelle (20) mittels des außerhalb des Batteriezellengehäuses (202) angeordneten Ladegerätes (30) geladen wird, wobei die erste und die zweite Elektrode (204, 214, 206, 216) der zumindest einen Elektrodeneinheit als zwei gegenpolige Elektroden der Batteriezelle (20) fungieren. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem sechsten Verfahrensschritt (106) die metallische Folie (208, 218) aus dem Batteriezellengehäuse (202) entfernt wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem siebten Verfahrensschritt (107) - 14 - das Batteriezellengehäuse (502) unter Vakuum erneut verschlossen wird. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem achten Verfahrensschritt (108) die Batteriezelle (50) mittels des außerhalb des Batteriezellengehäuses (502) angeordneten Ladegerätes (30) mehrmals aufgeladen und entladen wird. Verwendung einer Batteriezelle, die nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10 bereitgestellt ist, in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (PEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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