WO2023161496A1 - Verfahren zum herstellen einer elektrochemischen einzelzelle und elektrochemische einzelzelle - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer elektrochemischen einzelzelle und elektrochemische einzelzelle Download PDF

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WO2023161496A1
WO2023161496A1 PCT/EP2023/054888 EP2023054888W WO2023161496A1 WO 2023161496 A1 WO2023161496 A1 WO 2023161496A1 EP 2023054888 W EP2023054888 W EP 2023054888W WO 2023161496 A1 WO2023161496 A1 WO 2023161496A1
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electrode
separator
flat
sheets
flat coil
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PCT/EP2023/054888
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Hendrik Dubbe
Malte Henrik Klein
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Mercedes-Benz Group AG
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    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
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    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0459—Cells or batteries with folded separator between plate-like electrodes

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an individual electrochemical cell and an individual electrochemical cell with a flat winding in a cell housing.
  • a cell roll in the form of a so-called jelly roll is usually used in the cell housings of prismatic hard-case battery cells.
  • the anode, cathode and separator are rolled onto a core.
  • This method is very fast compared to stacking methods, but means that the available space inside the cell housing cannot be optimally utilized.
  • the use of a cell stack makes better use of the installation space, but means a lower production speed due to the stacking of individual electrode sheets, sometimes combined with Z-folding of the separator.
  • DE 102007 017 024 B3 discloses a method for producing a battery cell in a wound construction, in particular a cell of a lithium-ion battery or nickel-metal hydride battery, with an electrode winding made of an electrode strip wound around a longitudinal axis of the cell, i.e. it has the special feature that the electrode coil is applied to the winding core by winding the electrode strip around a dimensionally stable winding core extending in the direction of the longitudinal axis and then the electrode coil is formed into a different cross-sectional shape with a compression molding press that presses on the electrode coil from the outside in a radial direction oriented transversely to the longitudinal axis .
  • One object of the invention is to specify a method for producing an electrochemical individual cell in which the greatest possible utilization of installation space is combined with a favorable production speed.
  • a further object is to create an electrochemical individual cell with a flat winding in a cell housing, in particular a prismatic cell housing, which has the highest possible utilization of installation space.
  • a method for producing an electrochemical individual cell at least comprising: producing a first electrode layer from a strip-shaped separator, on which a first electrode sheet and a second electrode sheet are arranged alternately in a longitudinal direction, in particular by lamination, the the first electrode sheets and the second electrode sheets are spaced from each other along an extension of the separator; Production of a second electrode layer from a band-shaped separator, on which a second electrode sheet and a first electrode sheet are arranged alternately, in particular by lamination, the second electrode sheets and the first electrode sheets being arranged at a distance from one another along the extent of the separator; Joining the two electrode layers one on top of the other in a vertical direction, in particular by lamination, to form an electrode strand, so that a first electrode sheet is arranged opposite a second electrode sheet separated by the separator; winding the electrode strand onto a flat winding core to form a flat coil; Assembling the flat coil in a cell housing, in particular in a fixed
  • an electrode strand consisting of electrode layers of first and second electrode sheets, for example an anode and a cathode, and a continuous separator strip is first produced, for example by means of lamination.
  • the electrode strand comprises at least two electrode layers which are arranged in such a way that in each case a first electrode sheet lies opposite a second electrode sheet, separated by the separator.
  • the electrode strand can advantageously be produced sequentially, ie first the production of one electrode layer, then the production of the other electrode layer, and then the lamination process, in which the two electrode layers are laminated together. Alternatively, however, it is also possible for the two electrode layers to be manufactured in one pass.
  • the separator strips can be unwound simultaneously and then two opposing electrodes can be inserted.
  • the entire electrode strand is then laminated in one process.
  • Such a process is advantageous since the lamination then takes place simultaneously, ie separator plus anode sheet plus separator plus cathode sheet. This can save time during production, but higher demands are placed on the tolerances of the individual electrode sheets and separator strips.
  • the electrode strand is then wound onto a flat mandrel. Although this also creates a rounding on the outside, this is significantly flatter, since the thickness of the separator is usually small compared to the thickness of an electrode.
  • the electrode assembly can thus be made larger than in the case of a classic electrode coil and the speed advantage of coiling can be used.
  • Another advantage is that, especially for sensitive electrodes, there is no need to bend compared to a conventional round coil. This means that with the method proposed here, the risk of the coating of the electrodes flaking off is also reduced.
  • individual cells can also be manufactured quickly using solid-state technologies, which are usually difficult or impossible to manufacture by winding the electrodes.
  • the separator overhang that occurs on the flat coil in the longer extension of the flat coil can be minimized, for example, by means of laser cutting or by means of hot pressing.
  • a combination of the high production speed of an electrode coil with the efficient utilization of the installation space of a cell stack is thus advantageously possible. Additional costs due to the separator overhang or waste are almost negligible.
  • the production of the cell cup can be done with the usual manufacturing processes such as deep drawing or cold extrusion. However, other manufacturing processes can also be used to manufacture the cell cup.
  • the first electrode sheet can be trimmed in such a way that the first electrode sheet has a lateral overhang in relation to the second electrode sheet lying opposite it in the vertical direction.
  • the area of the anode is preferably designed to be larger than that of the cathode.
  • the first and second electrode sheets can be arranged along the extent of the separator such that a distance between a first electrode sheet and a second electrode sheet is successively larger with increasing length in the longitudinal direction of the separator. In this way, the first and second electrode sheets can each be positioned one above the other even with an increasing winding diameter.
  • areas of the separator can be separated in a longer extension of the flat coil, in particular by laser cutting, in such a way that open ends of the separator have a lateral overhang compared to the first and second electrode sheets.
  • the utilization of space in the cell housing can advantageously be further improved.
  • the trimming practically creates an electrode stack with the advantageous use of installation space.
  • the separation also makes it easier for the electrolyte to enter when the cell is being filled. In this way, the electrolyte can wet the electrodes and the separator more quickly.
  • areas of the separator can be deformed flat in a longer extension of the flat coil before the flat coil is installed in the cell housing.
  • the flat deformed areas can be produced by hot pressing the flat coil along its longer extent. Also by pressing the flat coil in the longer extension of the flat coil, the use of space in the cell housing can advantageously be further improved.
  • the first electrode sheets of the first and the second Electrode layer are electrically contacted with each other and the second electrode sheets of the first and the second electrode layer are electrically contacted with each other.
  • the electrodes of the electrochemical cell can be conveniently connected to one another.
  • all of the first electrode sheets can be connected in parallel with one another and all of the second electrode sheets can be connected in parallel with one another.
  • an electrochemical single cell with a flat winding in a cell housing in particular a prismatic cell housing, is proposed, produced using such a method, with an electrode strand consisting of a first and a second electrode layer being wound onto a flat winding core, with in a Vertical direction alternately successive first electrode sheets and second electrode sheets, which are spaced apart by a separator.
  • the two electrode layers of the electrode strand are arranged one on top of the other in such a way that a first electrode sheet is arranged opposite one another, separated by the separator, from a second electrode sheet.
  • the proposed electrochemical individual cell comprises a flat winding made of an electrode strand, in which first and second electrode sheets, separated by a separator, lie opposite one another.
  • the electrode strand is wound onto a flat core. Although this also creates a rounding on the outside, this is significantly flatter, since the thickness of the separator is usually small compared to the thickness of an electrode.
  • the electrode assembly can thus be made larger than in the case of a classic electrode coil and the speed advantage of coiling can be used in the manufacture of the individual cell.
  • Another advantage is that, especially for sensitive electrodes, there is no need to bend compared to a conventional round coil. This means that with the method proposed here, the risk of the coating of the electrodes flaking off is also reduced. In this way, in particular, individual cells can also be manufactured quickly using solid-state technologies, which are usually difficult or impossible to manufacture by winding the electrodes.
  • the separator overhang that occurs on the flat coil in the longer extension of the flat coil can be minimized, for example, by means of laser cutting or by means of hot pressing.
  • a combination of the high production speed of an electrode coil with the efficient utilization of the installation space of a cell stack is thus advantageously possible. Additional costs due to the separator overhang or waste are almost negligible.
  • the flat coil can have open ends of the separator in its longer extent, which have a lateral overhang in relation to the first and second electrode sheets.
  • the use of space in the cell housing can advantageously be further improved.
  • the trimming practically creates an electrode stack with the advantageous use of installation space.
  • the separation also makes it easier for the electrolyte to enter when the cell is being filled. In this way, the electrolyte can wet the electrodes and the separator more quickly.
  • the flat coil can have flat deformed areas of the separator in its longer extent.
  • the flat deformed areas can be produced by hot pressing the flat coil along its longer extent.
  • the use of space in the cell housing can also advantageously be further improved by pressing the flat coil in the longer extension of the flat coil.
  • the first electrode sheets can be electrically contacted with one another and the second electrode sheets can be electrically contacted with one another in the first and the second electrode layer.
  • the electrodes of the electrochemical cell can be conveniently connected to one another.
  • all of the first electrode sheets can be connected in parallel with one another, and all of the second electrode sheets can be connected in parallel with one another
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a laminated electrode strand according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a flat coil of a laminated electrode strand according to an embodiment of the invention
  • FIG 3 shows a longitudinal section through a trimmed flat coil before assembly in a cell housing according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through a pressed flat coil before assembly in a cell housing according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a laminated electrode strand 20 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • a first electrode layer 16 is produced from a band-shaped separator 14, on which a first electrode sheet 10 and a second electrode sheet 12 are arranged alternately in a longitudinal direction 54, in particular by lamination.
  • the first electrode sheets 10 and the second electrode sheets 12 are arranged at a distance from one another along an extension 26 of the separator 14 .
  • the first electrode sheet 10 can be an anode, for example, in which case the second electrode sheet 12 is the associated cathode.
  • a second electrode sheet 18 is also fabricated in a similar manner except that the order of the first and second electrode sheets 10, 12 is reversed.
  • the two electrode layers 16 , 18 are then joined together in a vertical direction 56 to form an electrode strand 20 , in particular by lamination, so that a first electrode sheet 10 is arranged opposite a second electrode sheet 12 separated by the separator 14 .
  • the first electrode sheet 10, for example the anode, projects beyond the opposite second electrode sheet 12, for example the cathode.
  • the electrode strand 20 is wound onto a flat winding core 22 to form a flat winding 28 .
  • the direction of winding 50 is indicated in FIG. 1 by an arrow.
  • the first and second electrode sheets 10, 12 can advantageously be arranged along the extension 26 of the separator 14 such that a distance 24 between a first electrode sheet 10 and a second electrode sheet 12 is successively larger with increasing length in the longitudinal direction 54 of the separator 14. In this way, the first and second electrode sheets 10, 12 lie one above the other on the flat coil, even as the diameter of the coil increases.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a flat coil 28 from a laminated electrode strand 20 according to an exemplary embodiment of the invention before assembly in assembly direction 52 in a cell housing 40, which is indicated schematically in section.
  • the flat coil 28 is intended in particular for installation in a fixed cell housing 40 which has a prismatic design.
  • the cell housing 40 can be produced, for example, by deep-drawing or cold extrusion or with other production methods.
  • the first electrode sheet 10 can be cut in such a way that the first electrode sheet 10 has a lateral overhang compared to the second electrode sheet 12 lying opposite it in the vertical direction 56 .
  • the first electrode sheets 10 of the first and second electrode layers 16, 18 are electrically contacted with one another and the second electrode sheets 12 of the first and second electrode layers 16, 18 are electrically contacted with one another, so that the electrode strand intended for installation in the cell housing 40 and for contacting, not shown, connection poles of the individual cell 100 is connected.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a trimmed flat coil 28 prior to assembly in a cell housing 40 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through a pressed flat coil 28 prior to assembly in a cell housing 40 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • stamps 46 which exert forces 48 on the regions 34 of the flat coil 28 from both sides in the longer extension 30 of the flat coil 28, are shown schematically in FIG.
  • the hot pressing essentially compresses and laminates the projections of the separator 14, so that the installation space for the projections of the separator 14 is reduced.
  • the longer extension 30 of the flat coil 28 can be decisively shortened as a result.
  • the use of space in the cell housing 40 is advantageously increased and practically corresponds to a conventional cell stack.
  • an electrochemical individual cell 100 with a flat winding 28 in a cell housing 40, in particular a prismatic cell housing 40, is thus advantageously produced.
  • an electrode strand 20 consisting of a first and a second electrode layer 16, 18 is wound onto a flat winding core 22, with the Vertical direction 56 alternately successive first electrode sheets 10 and second electrode sheets 12, which are spaced apart by a separator 14.
  • the two electrode layers 16 , 18 of the electrode strand 20 are arranged one on top of the other in such a way that a first electrode sheet 10 is arranged opposite a second electrode sheet 12 separated by the separator 14 .
  • the flat coil 28 can have open ends 32 of the separator 14, as shown in FIG.
  • the flat coil 28 can have flatly deformed areas 34 of the separator 14 in its longer extension 30, as shown in FIG.
  • the flattened deformed areas 34 can be produced by hot-pressing the flat coil 28 along its longer extent 30 .
  • the first electrode sheets 10 are in each case electrically contacted with one another and the second electrode sheets 12 are electrically contacted with one another.
  • the first electrode sheets can be connected in parallel with one another, and all of the second electrode sheets can be connected in parallel with one another

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einzelzelle (100), wenigstens umfassend Herstellen einer ersten Elektrodenlage (16) aus einem bandförmigen Separator (14), auf welchen in einer Längsrichtung (54) abwechselnd ein erstes Elektrodenblatt (10) und ein zweites Elektrodenblatt (12), insbesondere durch Laminieren, angeordnet werden, wobei die ersten Elektrodenblätter (10) und die zweiten Elektrodenblätter (12) entlang einer Erstreckung (26) des Separators (14) voneinander beabstandet angeordnet werden; Herstellen einer zweiten Elektrodenlage (18) aus einem bandförmigen Separator (14), auf welchen abwechselnd ein zweites Elektrodenblatt (12) und ein erstes Elektrodenblatt (10), insbesondere durch Laminieren, angeordnet werden, wobei die zweiten Elektrodenblätter (12) und die ersten Elektrodenblätter (10) entlang der Erstreckung (26) des Separators (14) voneinander beabstandet angeordnet werden; Fügen der beiden Elektrodenlagen (16, 18) in einer Hochrichtung (56) aufeinander; Wickeln des Elektrodenstrangs (20) auf einen flachen Wickelkern (22) zu einem Flachwickel (28). Die Erfindung betrifft ferner eine elektrochemische Einzelzelle (100) mit einem Flachwickel (28).

Description

Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einzelzelle und elektrochemische
Einzelzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einzelzelle sowie eine elektrochemische Einzelzelle mit einem Flachwickel in einem Zellgehäuse.
In Zellgehäusen von prismatischen Hard-Case-Batteriezellen wird meist ein Zellwickel in Form einer sogenannten Jelly-Roll verwendet. Dabei werden Anode, Kathode und Separator auf einem Kern aufgerollt. Dieses Verfahren ist im Vergleich zu stapelnden Verfahren sehr schnell, führt jedoch dazu, dass der verfügbare Bauraum innerhalb des Zellgehäuses nicht optimal ausgenutzt werden kann. Die Verwendung eines Zellstapels nutzt den Bauraum besser aus, bedeutet aber eine niedrigere Fertigungsgeschwindigkeit auf Grund des Stapeln von einzelnen Elektrodenblättern, kombiniert bisweilen mit Z- Falten des Separators.
Die DE 102007 017 024 B3 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle in Wickelbauweise, insbesondere einer Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel- Metallhydrid-Batterie, mit einem um eine Längsachse der Zelle gewickelten Elektrodenwickel aus einem Elektrodenband, weist also die Besonderheit auf, dass der Elektrodenwickel durch Wickeln des Elektrodenbandes um einen formstabilen, sich in Richtung der Längsachse erstreckenden Wickelkern auf den Wickelkern aufgebracht und anschließend der Elektrodenwickel mit einer von außen in radialer, quer zur Längsachse orientierter Richtung auf den Elektrodenwickel pressenden Formpresse in eine andere Querschnittsform umgeformt wird.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einzelzelle anzugeben, bei dem eine möglichst hohe Bauraumausnutzung mit einer günstigen Fertigungsgeschwindigkeit kombiniert wird. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrochemische Einzelzelle mit einem Flachwickel in einem Zellgehäuse, insbesondere einem prismatischen Zellgehäuse zu schaffen, welche eine möglichst hohe Bauraumausnutzung aufweist.
Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einzelzelle vorgeschlagen, wenigstens umfassend: Herstellen einer ersten Elektrodenlage aus einem bandförmigen Separator, auf welchen in einer Längsrichtung abwechselnd ein erstes Elektrodenblatt und ein zweites Elektrodenblatt, insbesondere durch Laminieren, angeordnet werden, wobei die ersten Elektrodenblätter und die zweiten Elektrodenblätter entlang einer Erstreckung des Separators voneinander beabstandet angeordnet werden; Herstellen einer zweiten Elektrodenlage aus einem bandförmigen Separator, auf welchen abwechselnd ein zweites Elektrodenblatt und ein erstes Elektrodenblatt, insbesondere durch Laminieren, angeordnet werden, wobei die zweiten Elektrodenblätter und die ersten Elektrodenblätter entlang der Erstreckung des Separators voneinander beabstandet angeordnet werden; Fügen der beiden Elektrodenlagen in einer Hochrichtung aufeinander, insbesondere durch Laminieren, zu einem Elektrodenstrang, sodass jeweils ein erstes Elektrodenblatt einem zweiten Elektrodenblatt durch den Separator getrennt einander gegenüberliegend angeordnet ist; Wickeln des Elektrodenstrangs auf einen flachen Wickelkern zu einem Flachwickel; Montieren des Flachwickels in einem Zellgehäuse, insbesondere in einem festen Zellgehäuse, welches eine prismatische Bauform aufweist, insbesondere welches durch Tiefziehen oder Kaltfließpressen hergestellt ist.
Nach dem vorgeschlagenen Verfahren wird beispielsweise mittels Laminieren zunächst ein Elektrodenstrang bestehend Elektrodenlagen aus ersten und zweiten Elektrodenblättern, beispielsweise einer Anode und einer Kathode, und einem kontinuierlichen Separatorband hergestellt. Der Elektrodenstrang umfasst dabei wenigstens zwei Elektrodenlagen, die so angeordnet sind, dass jeweils ein erstes Elektrodenblatt einem zweiten Elektrodenblatt, getrennt durch den Separator gegenüber liegt. Die Fertigung des Elektrodenstrangs kann vorteilhaft sequentiell erfolgen, also erst die Herstellung einer Elektrodenlage, dann die Herstellung der anderen Elektrodenlage, und dann der Laminierprozess, bei dem beiden Elektrodenlagen zusammen laminiert werden. Alternativ ist jedoch auch möglich, dass beiden Elektrodenlagen in einem Durchgang gefertigt werden. Hierzu können die Separatorbänder simultan abgewickelt werden und dann jeweils zwei entgegengesetzte Elektroden eingeschoben werden. Der gesamte Elektrodenstrang wird dann in einem Prozess laminiert. Ein solcher Prozess ist vorteilhaft, da das Laminieren dann simultan erfolgt, also Separator plus Anodenblatt plus Separator plus Kathodenblatt. Dadurch kann bei der Fertigung Zeit gespart werden, jedoch werden höhere Anforderungen an die Toleranzen der einzelnen Elektrodenblätter und Separatorbänder gestellt.
Der Elektrodenstrang wird dann auf einen flachen Wickelkern aufgewickelt. Dabei entsteht zwar ebenfalls eine Rundung an den Außenseiten, diese ist jedoch deutlich flacher, da die Dicke des Separators für gewöhnlich klein ist gegenüber der Dicke einer Elektrode. Damit kann der Elektrodenverbund größer ausgeführt werden als im Fall eines klassischen Elektrodenwickels und der Geschwindigkeitsvorteil des Wickelns kann genutzt werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass besonders für empfindliche Elektroden die Biegung im Vergleich zu einem konventionellen Rundwickel entfällt. Das bedeutet, dass mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren auch die Gefahr des Abplatzens der Beschichtung der Elektroden vermindert wird.
Hierdurch können insbesondere auch Einzelzellen in Festkörpertechnologien schnell gefertigt werden, welche sich üblicherweise schlecht oder gar nicht über Wickeln der Elektroden fertigen lassen.
Der auf dem Flachwickel entstehende Separator-Überstand in der längeren Ausdehnung des Flachwickels kann beispielsweise mittels Laser-Beschnitt oder mittels Heißpressen minimiert werden.
Vorteilhaft ist so eine Kombination der hohen Fertigungsgeschwindigkeit eines Elektrodenwickels mit der effizienten Bauraumausnutzung eines Zellstapels möglich. Mehrkosten durch den Separator-Überstand bzw. Verschnitt sind dabei nahezu vernachlässigbar. Das Herstellen des Zellbechers kann mit den üblichen Fertigungsverfahren wie Tiefziehen oder Kaltfließpressen erfolgen. Jedoch können für die Herstellung des Zellbechers auch andere Fertigungsverfahren eingesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das erste Elektrodenblatt so beschnitten werden, dass das erste Elektrodenblatt einen lateralen Überstand gegenüber dem zweiten, ihm in Hochrichtung gegenüber liegenden, Elektrodenblatt aufweist. Insbesondere bei Li-Ionen-Zellen wird die Anode in ihrer Fläche bevorzugt größer ausgebildet als die Kathode.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die ersten und zweiten Elektrodenblätter entlang der Erstreckung des Separators so angeordnet werden, dass ein Abstand zwischen einem ersten Elektrodenblatt und einem zweiten Elektrodenblatt mit zunehmender Länge in Längsrichtung des Separators sukzessive größer ist. Auf diese Weise können die ersten und zweiten Elektrodenblätter auch bei größer werdendem Wickeldurchmesser jeweils übereinander positioniert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können vor dem Montieren des Flachwickels im Zellgehäuse Bereiche des Separators in einer längeren Ausdehnung des Flachwickels so abgetrennt werden, insbesondere durch einen Laser-Beschnitt, dass offene Enden des Separators einen lateralen Überstand gegenüber den ersten und zweiten Elektrodenblättern aufweisen. Dadurch kann die Bauraumausnutzung in dem Zellgehäuse günstigerweise weiter verbessert werden. Durch den Beschnitt entsteht praktisch ein Elektrodenstapel mit der vorteilhaften Bauraumausnutzung. Das Abtrennen erleichtert zudem das Eindringen des Elektrolyten, wenn die Zelle befüllt wird. Auf diese Weise kann der Elektrolyt die Elektroden und den Separator schneller benetzen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können vor dem Montieren des Flachwickels im Zellgehäuse Bereiche des Separators in einer längeren Ausdehnung des Flachwickels flach verformt werden. Insbesondere können die flach verformten Bereiche durch Heißverpressen des Flachwickels entlang seiner längeren Ausdehnung hergestellt werden. Auch durch Verpressen des Flachwickels in der längeren Ausdehnung des Flachwickels kann die Bauraumausnutzung in dem Zellgehäuse günstigerweise weiter verbessert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können vor dem Montieren des Flachwickels im Zellgehäuse die ersten Elektrodenblätter der ersten und der zweiten Elektrodenlage elektrisch miteinander kontaktiert werden und die zweiten Elektrodenblätter der ersten und der zweiten Elektrodenlage elektrisch miteinander kontaktiert werden. Auf diese Weise können die Elektroden der elektrochemischen Zelle günstig miteinander verschaltet werden. Beispielsweise können so alle ersten Elektrodenblätter miteinander parallel geschaltet werden, und alle zweiten Elektrodenblätter miteinander parallel geschaltet werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrochemische Einzelzelle mit einem Flachwickel in einem Zellgehäuse, insbesondere einem prismatischen Zellgehäuse, vorgeschlagen, hergestellt mit einem solchen Verfahren, wobei ein Elektrodenstrang aus einer ersten und einer zweiten Elektrodenlage auf einen flachen Wickelkern gewickelt ist, mit in einer Hochrichtung abwechselnd aufeinander folgenden ersten Elektrodenblättern und zweiten Elektrodenblättern, die durch einen Separator voneinander beabstandet angeordnet sind. Dabei sind die beiden Elektrodenlagen des Elektrodenstrangs so aufeinander angeordnet, dass jeweils ein erstes Elektrodenblatt einem zweiten Elektrodenblatt durch den Separator getrennt einander gegenüberliegend angeordnet ist.
Die vorgeschlagene elektrochemische Einzelzelle umfasst im Zellgehäuse einen Flachwickel aus einem Elektrodenstrang, bei dem erste und zweite Elektrodenblätter, getrennt durch einen Separator jeweils einander gegenüber liegen.
Der Elektrodenstrang ist auf einen flachen Wickelkern aufgewickelt. Dabei entsteht zwar ebenfalls eine Rundung an den Außenseiten, diese ist jedoch deutlich flacher, da die Dicke des Separators für gewöhnlich klein ist gegenüber der Dicke einer Elektrode. Damit kann der Elektrodenverbund größer ausgeführt werden als im Fall eines klassischen Elektrodenwickels und der Geschwindigkeitsvorteil des Wickelns kann bei der Fertigung der Einzelzelle genutzt werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass besonders für empfindliche Elektroden die Biegung im Vergleich zu einem konventionellen Rundwickel entfällt. Das bedeutet, dass mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren auch die Gefahr des Abplatzens der Beschichtung der Elektroden vermindert wird. Hierdurch können insbesondere auch Einzelzellen in Festkörpertechnologien schnell gefertigt werden, welche sich üblicherweise schlecht oder gar nicht über Wickeln der Elektroden fertigen lassen.
Der auf dem Flachwickel entstehende Separator-Überstand in der längeren Ausdehnung des Flachwickels kann beispielsweise mittels Laser-Beschnitt oder mittels Heißpressen minimiert sein.
Vorteilhaft ist so eine Kombination der hohen Fertigungsgeschwindigkeit eines Elektrodenwickels mit der effizienten Bauraumausnutzung eines Zellstapels möglich. Mehrkosten durch den Separator-Überstand bzw. Verschnitt sind dabei nahezu vernachlässigbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrochemischen Einzelzelle kann der Flachwickel in seiner längeren Ausdehnung offene Enden des Separators aufweisen, welche einen lateralen Überstand gegenüber den ersten und zweiten Elektrodenblättern aufweisen. Dadurch kann die Bauraumausnutzung in dem Zellgehäuse günstigerweise weiter verbessert sein. Durch den Beschnitt entsteht praktisch ein Elektrodenstapel mit der vorteilhaften Bauraumausnutzung. Das Abtrennen erleichtert zudem das Eindringen des Elektrolyten, wenn die Zelle befüllt wird. Auf diese Weise kann der Elektrolyt die Elektroden und den Separator schneller benetzen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrochemischen Einzelzelle kann der Flachwickel in seiner längeren Ausdehnung flach verformte Bereiche des Separators aufweisen. Insbesondere können die flach verformten Bereiche durch Heißverpressen des Flachwickels entlang seiner längeren Ausdehnung hergestellt sein. Auch durch Verpressen des Flachwickels in der längeren Ausdehnung des Flachwickels kann die Bauraumausnutzung in dem Zellgehäuse günstigerweise weiter verbessert sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrochemischen Einzelzelle können in der ersten und der zweiten Elektrodenlage jeweils die ersten Elektrodenblätter elektrisch miteinander kontaktiert sein und die zweiten Elektrodenblätter elektrisch miteinander kontaktiert sein. Auf diese Weise können die Elektroden der elektrochemischen Zelle günstig miteinander verschaltet sein. Beispielsweise können so alle ersten Elektrodenblätter miteinander parallel geschaltet sein, und alle zweiten Elektrodenblätter miteinander parallel geschaltet sein Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen laminierten Elektrodenstrang nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Flachwickel aus einem laminierten Elektrodenstrang nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen beschnittenen Flachwickel vor der Montage in ein Zellgehäuse nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen verpressten Flachwickel vor der Montage in ein Zellgehäuse nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen laminierten Elektrodenstrang 20 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einzelzelle 100, wird eine erste Elektrodenlage 16 aus einem bandförmigen Separator 14 hergestellt, auf welchen in einer Längsrichtung 54 abwechselnd ein erstes Elektrodenblatt 10 und ein zweites Elektrodenblatt 12, insbesondere durch Laminieren, angeordnet werden. Die ersten Elektrodenblätter 10 und die zweiten Elektrodenblätter 12 werden dabei entlang einer Erstreckung 26 des Separators 14 voneinander beabstandet angeordnet. Das erste Elektrodenblatt 10 kann beispielsweise eine Anode sein, dann ist das zweite Elektrodenblatt 12 die dazugehörige Kathode.
Es wird weiter eine zweite Elektrodenlage 18 in ähnlicher Weise hergestellt, wobei lediglich die Reihenfolge der ersten und zweiten Elektrodenblätter 10, 12 umgekehrt ist. Sodann werden die beiden Elektrodenlagen 16, 18 in einer Hochrichtung 56 zu einem Elektrodenstrang 20 aufeinander gefügt, insbesondere durch Laminieren, sodass jeweils ein erstes Elektrodenblatt 10 einem zweiten Elektrodenblatt 12 durch den Separator 14 getrennt einander gegenüberliegend angeordnet ist. Dabei überragt das erste Elektrodenblatt 10, beispielsweise die Anode, das gegenüber liegende zweite Elektrodenblatt 12, beispielsweise die Kathode.
Der Elektrodenstrang 20 wird auf einen flachen Wickelkern 22 zu einem Flachwickel 28 gewickelt. Die Wickelrichtung 50 ist in Figur 1 durch einen Pfeil angedeutet.
Die ersten und zweiten Elektrodenblätter 10, 12 können günstigerweise entlang der Erstreckung 26 des Separators 14 so angeordnet werden, dass ein Abstand 24 zwischen einem ersten Elektrodenblatt 10 und einem zweiten Elektrodenblatt 12 mit zunehmender Länge in Längsrichtung 54 des Separators 14 sukzessive größer ist. Auf diese Weise liegen die ersten und zweiten Elektrodenblätter 10, 12 auf dem Flachwickel auch bei größer werdendem Wickeldurchmesser jeweils übereinander.
Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Flachwickel 28 aus einem laminierten Elektrodenstrang 20 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vor der Montage in Montagerichtung 52 in ein Zellgehäuse 40, welches im Schnitt schematisch angedeutet ist.
Der Flachwickel 28 ist insbesondere zur Montage in ein festes Zellgehäuse 40, welches eine prismatische Bauform aufweist, vorgesehen. Das Zellgehäuse 40 kann beispielsweise durch Tiefziehen oder Kaltfließpressen oder auch mit anderen Fertigungsverfahren hergestellt sein.
Wie in den Längsschnitten in Figur 1 und Figur 2 erkennbar ist, kann das erste Elektrodenblatt 10 so beschnitten werden, dass das erste Elektrodenblatt 10 einen lateralen Überstand gegenüber dem zweiten, ihm in Hochrichtung 56 gegenüber liegenden, Elektrodenblatt 12 aufweist.
Vor dem Montieren des Flachwickels 28 im Zellgehäuse 40 werden die ersten Elektrodenblätter 10 der ersten und der zweiten Elektrodenlage 16, 18 elektrisch miteinander kontaktiert und die zweiten Elektrodenblätter 12 der ersten und der zweiten Elektrodenlage 16, 18 elektrisch miteinander kontaktiert, sodass der Elektrodenstrang bestimmungsgemäß zum Einbau in das Zellgehäuse 40 und zur Kontaktierung von, nicht dargestellten, Anschlusspolen der Einzelzelle 100 verschaltet ist.
Figur 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen beschnittenen Flachwickel 28 vor der Montage in ein Zellgehäuse 40 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Vor dem Montieren des Flachwickels 28 in das Zellgehäuse 40 werden dabei Bereiche 36 des Separators 14 in einer längeren Ausdehnung 30 des Flachwickels 28 (in Figur 2 erkennbar) so abgetrennt, insbesondere durch einen Laserbeschnitt, dass offene Enden 32 des Separators 14 einen lateralen Überstand gegenüber den ersten und zweiten Elektrodenblättern 10, 12 aufweisen. Laser 42 mit dem entsprechenden Laserstrahl 44 für den Beschnitt sind schematisch dargestellt. Dadurch wird die Bauraumausnutzung im Zellgehäuse 40 vorteilhaft erhöht und entspricht praktisch einem herkömmlichen Zellstapel.
In Figur 4 ist ein Längsschnitt durch einen verpressten Flachwickel 28 vor der Montage in ein Zellgehäuse 40 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Vor dem Montieren des Flachwickels 28 in das Zellgehäuse 40 werden dabei Bereiche 34 des Separators 14 in einer längeren Ausdehnung 30 des Flachwickels 28 flach verformt. Insbesondere kann das durch Heißverpressen des Flachwickels 28 entlang seiner längeren Ausdehnung 30 erreicht werden. Stempel 46, welche von beiden Seiten in der längeren Ausdehnung 30 des Flachwickels 28 Kräfte 48 auf die Bereiche 34 des Flachwickels 28 ausüben, sind in Figur 4 schematisch dargestellt. Durch das Heißpressen werden im Wesentlichen die Überstände des Separators 14 zusammengepresst und laminiert, sodass der Bauraum für die Überstände des Separators 14 reduziert wird.
Die längere Ausdehnung 30 des Flachwickels 28 kann dadurch entscheidend verkürzt werden. Dadurch wird die Bauraumausnutzung im Zellgehäuse 40 vorteilhaft erhöht und entspricht praktisch einem herkömmlichen Zellstapel.
Nach dem vorgeschlagenen Verfahren entsteht so vorteilhaft eine elektrochemische Einzelzelle 100 mit einem Flachwickel 28 in einem Zellgehäuse 40, insbesondere einem prismatischen Zellgehäuse 40.
Bei der Einzelzelle 100 sind dabei ein Elektrodenstrang 20 aus einer ersten und einer zweiten Elektrodenlage 16, 18 auf einen flachen Wickelkern 22 gewickelt, mit in der Hochrichtung 56 abwechselnd aufeinander folgenden ersten Elektrodenblättern 10 und zweiten Elektrodenblättern 12, die durch einen Separator 14 voneinander beabstandet angeordnet sind. Die beiden Elektrodenlagen 16, 18 des Elektrodenstrangs 20 sind so aufeinander angeordnet, dass jeweils ein erstes Elektrodenblatt 10 einem zweiten Elektrodenblatt 12 durch den Separator 14 getrennt einander gegenüberliegend angeordnet ist.
Der Flachwickel 28 kann dabei in seiner längeren Ausdehnung 30 offene Enden 32 des Separators 14 aufweisen, wie in Figur 3 dargestellt, welche einen lateralen Überstand gegenüber den ersten und zweiten Elektrodenblättern 10, 12 aufweisen.
Weiter kann der Flachwickel 28 in seiner längeren Ausdehnung 30 flach verformte Bereiche 34 des Separators 14 aufweisen, wie in Figur 4 dargestellt. Insbesondere können die flach verformten Bereiche 34 durch Heißverpressen des Flachwickels 28 entlang seiner längeren Ausdehnung 30 hergestellt sein.
Günstigerweise sind dabei in der ersten und der zweiten Elektrodenlage 16, 18 jeweils die ersten Elektrodenblätter 10 miteinander elektrisch kontaktiert und die zweiten Elektrodenblätter 12 miteinander elektrisch kontaktiert. Beispielsweise können so alle ersten Elektrodenblätter miteinander parallel geschaltet sein, und alle zweiten Elektrodenblätter miteinander parallel geschaltet sein
Bezugszeichenliste
10 erstes Elektrodenblatt
12 zweites Elektrodenblatt
14 Separator
16 erste Elektrodenlage
18 zweite Elektrodenlage
20 Elektrodenstrang
22 Wickelkern
24 Abstand Elektrodenblätter
26 Erstreckung
28 Flachwickel
30 längere Ausdehnung
32 offenes Ende
34 flach verformter Bereich
36 Bereich
40 Zellgehäuse
42 Laser
44 Laserstrahl
46 Stempel
48 Kraft
50 Wickelrichtung
52 Montagerichtung
54 Längsrichtung
56 Hochrichtung
100 Emzelzelle

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einzelzelle (100), wenigstens umfassend
Herstellen einer ersten Elektrodenlage (16) aus einem bandförmigen Separator (14), auf welchen in einer Längsrichtung (54) abwechselnd ein erstes Elektrodenblatt (10) und ein zweites Elektrodenblatt (12), insbesondere durch Laminieren, angeordnet werden, wobei die ersten Elektrodenblätter (10) und die zweiten Elektrodenblätter (12) entlang einer Erstreckung (26) des Separators (14) voneinander beabstandet angeordnet werden;
Herstellen einer zweiten Elektrodenlage (18) aus einem bandförmigen Separator (14), auf welchen abwechselnd ein zweites Elektrodenblatt (12) und ein erstes Elektrodenblatt (10), insbesondere durch Laminieren, angeordnet werden, wobei die zweiten Elektrodenblätter (12) und die ersten Elektrodenblätter (10) entlang der Erstreckung (26) des Separators (14) voneinander beabstandet angeordnet werden;
Fügen der beiden Elektrodenlagen (16, 18) in einer Hochrichtung (56) aufeinander, insbesondere durch Laminieren, zu einem Elektrodenstrang (20), sodass jeweils ein erstes Elektrodenblatt (10) einem zweiten Elektrodenblatt (12) durch den Separator (14) getrennt einander gegenüberliegend angeordnet ist;
Wickeln des Elektrodenstrangs (20) auf einen flachen Wickelkern (22) zu einem Flachwickel (28);
Montieren des Flachwickels (28) in einem Zellgehäuse (40), insbesondere in einem festen Zellgehäuse (40), welches eine prismatische Bauform aufweist, insbesondere welches durch Tiefziehen oder Kaltfließpressen hergestellt ist. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Elektrodenblatt (10) so beschnitten wird, dass das erste Elektrodenblatt (10) einen lateralen Überstand gegenüber dem zweiten, ihm in Hochrichtung (56) gegenüber liegenden, Elektrodenblatt (12) aufweist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Elektrodenblätter (10, 12) entlang der Erstreckung (26) des Separators (14) so angeordnet werden, dass ein Abstand (24) zwischen einem ersten Elektrodenblatt (10) und einem zweiten Elektrodenblatt (12) mit zunehmender Länge in Längsrichtung (54) des Separators (14) sukzessive größer ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Montieren des Flachwickels (28) im Zellgehäuse (40) Bereiche (36) des Separators (14) in einer längeren Ausdehnung (30) des Flachwickels (28) so abgetrennt werden, insbesondere durch einen Laser-Beschnitt, dass offene Enden (32) des Separators (14) einen lateralen Überstand gegenüber den ersten und zweiten Elektrodenblättern (10, 12) aufweisen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei vor dem Montieren des Flachwickels (28) im Zellgehäuse (40) Bereiche (34) des Separators (14) in einer längeren Ausdehnung (30) des Flachwickels (28) flach verformt werden, insbesondere die flach verformten Bereiche (34) durch Heißverpressen des Flachwickels (28) entlang seiner längeren Ausdehnung (30) hergestellt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Montieren des Flachwickels (28) im Zellgehäuse (40) die ersten Elektrodenblätter (10) der ersten und der zweiten Elektrodenlage (16, 18) elektrisch miteinander kontaktiert werden und die zweiten Elektrodenblätter (12) der ersten und der zweiten Elektrodenlage (16, 18) elektrisch miteinander kontaktiert werden. Elektrochemische Einzelzelle (100) mit einem Flachwickel (28) in einem Zellgehäuse (40), insbesondere einem prismatischen Zellgehäuse (40), hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Elektrodenstrang (20) aus einer ersten und einer zweiten Elektrodenlage (16, 18) auf einen flachen Wickelkern (22) gewickelt ist, mit in einer Hochrichtung (56) abwechselnd aufeinander folgenden ersten Elektrodenblättern (10) und zweiten Elektrodenblättern (12), die durch einen Separator (14) voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die beiden Elektrodenlagen (16, 18) des Elektrodenstrangs (20) so aufeinander angeordnet sind, dass jeweils ein erstes Elektrodenblatt (10) einem zweiten Elektrodenblatt (12) durch den Separator (14) getrennt einander gegenüberliegend angeordnet ist. Elektrochemische Einzelzelle nach Anspruch 7, wobei der Flachwickel (28) in seiner längeren Ausdehnung (30) offene Enden (32) des Separators (14) aufweist, welche einen lateralen Überstand gegenüber den ersten und zweiten Elektrodenblättern (10, 12) aufweisen. Elektrochemische Einzelzelle nach Anspruch 7, wobei der Flachwickel (28) in seiner längeren Ausdehnung (30) flach verformte Bereiche (34) des Separators (14) aufweist, insbesondere wobei die flach verformten Bereiche (34) durch Heißverpressen des Flachwickels (28) entlang seiner längeren Ausdehnung (30) hergestellt sind. Elektrochemische Einzelzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei in der ersten und der zweiten Elektrodenlage (16, 18) jeweils die ersten Elektrodenblätter (10) elektrisch miteinander kontaktiert sind und die zweiten Elektrodenblätter (12) elektrisch miteinander kontaktiert sind.
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