WO2024061512A1 - Verfahren zur herstellung eines akkumulators und akkumulator - Google Patents

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WO2024061512A1
WO2024061512A1 PCT/EP2023/070131 EP2023070131W WO2024061512A1 WO 2024061512 A1 WO2024061512 A1 WO 2024061512A1 EP 2023070131 W EP2023070131 W EP 2023070131W WO 2024061512 A1 WO2024061512 A1 WO 2024061512A1
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electrode
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lithium
suspension
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Dr. Christoph BOLLI
Dr. Paul MEISTER
Dr. Tim DAGGER
Dr. Xin QI
Dr. Chenjuan LIU
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • H01M4/0419—Methods of deposition of the material involving spraying

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an accumulator.
  • the invention also relates to an accumulator.
  • Lithium-ion batteries are widely used to store electrical energy. They are also used, among other things, in the motor vehicle sector and are used here in particular as so-called drive or traction batteries for driving hybrid or electric vehicles.
  • a lithium-ion battery has a positive electrode, a negative electrode, a separator and an electrolyte as its essential components. With regard to the exact structure, a variety of designs are known. What all versions have in common, however, is that the lithium-ion battery contains free and therefore mobile lithium ions, i.e. lithium ions that can freely migrate back and forth through the electrolyte between the negative electrode and the positive electrode.
  • a possible process for producing a lithium-ion battery is, for example, in “Heimes, Heiner Hans; Kampker, Achim; Lienemann, Christoph; Locke, Marc; Offermanns, Christian; Michaelis, Sarah; Rahimzei, Ehsan (2016): Production process of a lithium-ion battery cell, Frankfurt am Main, PEM from RWTH Aachen and VDMA Eigenbuch”.
  • the invention is based on the object of specifying an advantageous method for producing an accumulator and an advantageously designed accumulator.
  • an accumulator which is designed as a lithium-ion accumulator.
  • a Such an accumulator has at least one lithium-ion cell.
  • a corresponding battery has several lithium-ion cells, with the lithium-ion cells typically being designed in the same way.
  • the accumulator is then designed as a so-called drive or traction battery for driving a hybrid or electric vehicle.
  • a corresponding lithium-ion cell also referred to below as a cell, in turn has a first electrode with a first active material layer.
  • the lithium-ion cell also expediently has a second electrode and a separator.
  • an electrolyte in particular an electrolyte solution, is introduced into the lithium-ion cell.
  • a first strip of material is first produced, from which the first electrode is then separated in the course of a separation process.
  • the first material strip is produced by mixing a first suspension which has a first active material, by applying the first suspension to a first metal foil to form the first active material layer and by forming a first polymer coating as a first intermediate layer between the first active material and the electrolyte.
  • That intermediate layer serves as a so-called passivation layer, at least in the finished cell or in the finished accumulator.
  • a comparable passivation layer is formed from the electrolyte in the course of a so-called formation. At least in the case of the negative electrode, this is also referred to as Solid Electrolyte Interphase (SEI).
  • SEI Solid Electrolyte Interphase
  • the intermediate layer is formed before the so-called formation and in particular before the so-called cell assembly.
  • the intermediate layer is preferably formed as a purely organic layer. In particular, it then contains no metallic components.
  • Another advantage is a process variant in which a first monomer or monomer material is introduced into the first suspension to form the first polymer coating. This then happens in particular before the first suspension is applied to the first metal foil.
  • the first monomer is sprayed onto the active material layer to form the first polymer coating. This typically happens after the first suspension has been applied to the first metal foil.
  • the first monomer is introduced into the first suspension to form the first polymer coating, which happens in particular before the first suspension is applied to the first metal foil, and in addition, the first monomer or a further monomer is applied to the first polymer coating to form the first polymer coating Active material layer is sprayed, which happens in particular after the first suspension has been applied to the first metal foil. If a further monomer is sprayed on, the first polymer coating in the finished state typically has two different layers, which are formed by different polymers.
  • first polymer coating which has two different layers in the finished state
  • the first monomer used is preferably styrene, an acrylate or a sulfonate. If another monomer is used, styrene, an acrylate or a sulfonate are also preferably used for the additional monomer.
  • a solution is expediently sprayed on in which the first monomer or the further monomer is dissolved in a solvent.
  • That solvent is, for example, a fluorinated or a non-protic solvent. It is preferably an electrolyte solvent, i.e. a solvent that is contained in the electrolyte of the cell.
  • the electrolyte of the cell therefore preferably has at least one solvent or solvents, in particular an organic solvent.
  • the solvent in particular the electrolyte solvent, is, for example, an ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate. carbonate, ethyl methyl carbonate, acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, pimelonitrile, gamma-butyrolactone, gamma-valerolactone, dimethoxyethane, 1,3-dioxalane, methyl acetate and/or mixtures thereof are used.
  • the electrolyte expediently has at least one lithium salt (also: “lithium conductive salt”).
  • a lithium salt is, for example, at least LiAsF6, LiCIO4, LiSbF6, LiPtCI6, Li(CF3)SO3 (LiTf), LiC (SO2CF3)3, a phosphate-based lithium salt - e.g. B. LiPF6, LiPF3(CF3)3 (LiFAP) and LiPF4(C2O4) (LiTFOB) - a borate-based lithium salt - e.g.
  • a particularly preferred lithium conductive salt is LiPF6 (lithium hexafluorophosphate) or mixtures thereof.
  • the first suspension is applied to the first metal foil to form the first active material layer. This then produces a first coated metal foil.
  • the active material for the active material layer is, for example, an NMC (lithium-nickel-manganese-cobalt oxide), LFP (lithium iron phosphate) or an NCA (lithium Nickel-cobalt-aluminum oxide) is used.
  • NMC lithium-nickel-manganese-cobalt oxide
  • LFP lithium iron phosphate
  • NCA lithium Nickel-cobalt-aluminum oxide
  • next-generation electrode materials in particular next-generation cathode materials, or high-voltage spinels, such as LNMO (lithium nickel manganese oxide), are used.
  • the first suspension is now applied to the first metal foil to form the first active material layer, whereby the first coated metal foil is produced.
  • a voltage is then preferably further applied to the first coated metal foil to form the first polymer coating. This applies in particular if the first monomer and/or a further monomer is sprayed onto the active material layer to form the first polymer coating. The applied voltage then increases the diffusion/migration of the monomer to or onto the surface of the active material layer.
  • dry room conditions are specified for the formation of the first polymer coating.
  • a relative humidity is less than or equal to this 10% is specified and in particular a relative humidity of less than or equal to 10% is specified.
  • the use of a protective gas is preferably avoided.
  • no special printing conditions are preferably specified. This means that the prevailing pressure is in the normal pressure range.
  • polymerization is caused to form the first polymer coating.
  • this is done, for example, by spraying on a radical initiator, such as a peroxodisulfate, a bezolyperoxide or an azobisisobutyronitrile.
  • a radical initiator such as a peroxodisulfate, a bezolyperoxide or an azobisisobutyronitrile.
  • heat treatment takes place.
  • the first strip of material is first produced, from which the first electrode is then separated in the course of the separation process.
  • Such a strip of material from which electrodes are removed during a separation process is also referred to as an “electrode coil”.
  • electrode coil Such a strip of material from which electrodes are removed during a separation process.
  • this is a coated film that is typically kept in a wound form.
  • a first strip of material is produced in the course of the method according to the invention, which is coated on two sides, i.e. on a top side and on a bottom side.
  • the coatings on the top and bottom are preferably designed in the same way.
  • the lithium-ion cell typically has a second electrode in addition to the first electrode.
  • the second electrode in the finished cell then expediently serves as a positive electrode or as a negative electrode.
  • a variant of the method is then also typical in which the second electrode is produced to produce the accumulator by producing a second strip of material from which the second electrode is separated in the course of a separation process.
  • the second material strip is then preferably produced by mixing a second suspension which has a second active material, by applying the second suspension to a second metal foil to form the second active material layer and by forming a second polymer coating as a second intermediate layer between the second active material and the electrolyte.
  • the second strip of material is preferably produced in a manner as previously described for the first strip of material.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a battery with several lithium-ion cells
  • Fig. 2 is a simplified sectional view of one of the lithium-ion cells of the accumulator
  • Fig. 3 is a simplified representation of a system for producing the accumulator.
  • a method described below as an example is used to produce an accumulator 2, which is designed as a lithium-ion accumulator 2.
  • an accumulator 2 has several uniformly designed lithium-ion cells 4, or cells 4 for short.
  • the corresponding cells 4 are then usually interconnected in the accumulator 2 via an interconnection device 6 in a manner not shown. This is indicated in Fig. 1.
  • such an accumulator 2 has at least one cell 4 and a possible embodiment of such a cell 4 is shown in a simplified sectional view in FIG. It has a cell housing 8, which is filled with an electrolyte 10, more precisely an electrolyte solution 10. A first electrode 12 and a second electrode 14 are arranged in the electrolyte solution 10. The electrodes 12, 14 are separated by a separator 16.
  • both electrodes 12, 14 have in common a structure with a metal foil 18, 20, an active material layer 22, 24 and a polymer coating 26, 28.
  • the polymer coatings 26, 28 each serve as a so-called passivation layer, at least in the finished cell 4 or in the finished accumulator 2.
  • the two electrodes 12, 14 are produced in an analogous manner in the exemplary embodiment, with different materials typically being used for the electrodes 12, 14.
  • the production of the first electrode 12, which has a first metal foil 18, a first active material layer 22 and a first polymer coating 26, is described below as an example.
  • the production of the second electrode 14, which has a second metal foil 20, a second active material layer 24 and a first polymer coating 28, can then be derived from this.
  • a first strip of material 30 is first produced. This is indicated in Fig. 3.
  • the first electrode 12 is then separated from the first material strip 30 in the course of a separation process, not shown.
  • a first suspension is first mixed, which has a first active material.
  • the first suspension is then applied to the first metal foil 18 to form the first active material layer 22.
  • This step is indicated in FIG. 3 by an application unit 32.
  • drying takes place according to FIG. 3 using a drying unit 34.
  • a first solution with a first monomer is then sprayed on.
  • This step is indicated in FIG. 3 by a first spray head 36.
  • a radical starter is sprayed on with a second spray head 38 and finally a heat treatment is carried out with a heating unit 40.
  • the polymerization of the first monomer is stimulated with the radical starter and the heat treatment.
  • the polymerization is caused solely by spraying on a radical initiator or solely by heat treatment.
  • a voltage is also applied to the first metal foil 32 by means of a voltage unit 42. The applied voltage then increases the diffusion/migration of the first monomer on the surface of the first active material layer 22.
  • the specification of a voltage is omitted.
  • the use of several monomers is provided, which are sprayed in one or more solutions in one or more spraying processes.
  • drying using the drying unit 34 is dispensed with.
  • the polymer coating is formed in an additional roll-to-roll processing process.
  • This additional roll-to-roll processing process is then preferably carried out after a “drying” process or after a “calendering” process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators (2), welcher zumindest eine Lithium-Ionen-Zelle (4) aufweist, in der eine erste Elektrode (12) angeordnet ist, welche eine erste Aktivmaterialschicht (22) aufweist, und in der ein Elektrolyt (10) eingebracht ist, wobei zur Herstellung der ersten Elektrode (12) ein erstes Materialband (30) hergestellt wird, aus dem die erste Elektrode (12) im Zuge eines Trennvorgangs herausgetrennt wird, und wobei das erste Materialband (30) hergestellt wird, indem eine erste Suspension angemischt wird, welche ein erstes Aktivmaterial aufweist, indem die erste Suspension zur Ausbildung der ersten Aktivmaterialschicht (22) auf eine erste Metallfolie (18) aufgetragen wird und indem eine erste Polymerbeschichtung (26) ausgebildet wird als eine erste Zwischenschicht zwischen dem ersten Aktivmaterial und dem Elektrolyten (10).

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators und Akkumulator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators. Außerdem betrifft die Erfindung einen Akkumulator.
Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind als Speicher für elektrische Energie weit verbreitet. Sie werden unter anderem auch im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt und dienen hier insbesondere als sogenannte Antriebs- oder Traktionsbatterien zum Antrieb von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen.
Ein Lithium-Ionen-Akkumulator weist als wesentliche Komponenten eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen Separator und ein Elektrolyt auf. Hinsichtlich des genauen Aufbaus ist hierbei eine Vielzahl von Ausführungen bekannt. Allen Ausführungen gemein ist aber, dass im Lithium-Ionen-Akkumulator freie und somit mobile Lithium-Ionen vorliegen, also Lithium-Ionen, die frei durch den Elektrolyten zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hin- und herwandern können.
Ein mögliches Verfahren zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkumulators ist zum Beispiel in „Heimes, Heiner Hans; Kampker, Achim; Lienemann, Christoph; Locke, Marc; Offermanns, Christian; Michaelis, Sarah; Rahimzei, Ehsan (2018): Produktionsprozess einer Lithium-Ionen- Batteriezelle, Frankfurt am Main, PEM der RWTH Aachen und VDMA Eigendruck“ skizziert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators sowie einen vorteilhaft ausgebildeten Akkumulator anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Akkumulator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Akkumulator übertragbar und umgekehrt. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Das nachfolgend näher beschriebene erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Akkumulators, welcher als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet ist. Ein solcher Akkumulator weist hierbei zumindest eine Lithium-Ionen-Zelle auf. Für eine Vielzahl von Anwendungsfällen weist ein entsprechender Akkumulator jedoch mehrere Lithium-Ionen-Zellen auf, wobei die Lithium-Ionen-Zellen typischerweise gleichartig ausgebildet sind. In einigen Fällen ist der Akkumulator dann als sogenannte Antriebs- oder T raktionsbatterie zum Antrieb eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs ausgebildet.
Eine entsprechende Lithium-Ionen-Zelle, nachfolgend auch kurz Zelle genannt, weist wiederum eine erste Elektrode mit einer ersten Aktivmaterialschicht auf. Weiter weist die Lithium-Ionen- Zelle zweckdienlicherweise eine zweite Elektrode sowie einen Separator auf. Zudem ist in die Lithium-Ionen-Zelle ein Elektrolyt eingebracht, insbesondere eine Elektrolytlösung.
Zur Herstellung der ersten Elektrode und somit auch zur Herstellung des Akkumulators wird nun erfindungsgemäß zunächst ein erstes Materialband hergestellt, aus dem die erste Elektrode im Zuge eines Trennvorgangs dann herausgetrennt wird. Das erste Materialband wird dabei hergestellt, indem eine erste Suspension angemischt wird, welche ein erstes Aktivmaterial aufweist, indem die erste Suspension zur Ausbildung der ersten Aktivmaterialschicht auf eine erste Metallfolie aufgetragen wird und indem eine erste Polymerbeschichtung ausgebildet wird als eine erste Zwischenschicht zwischen dem ersten Aktivmaterial und dem Elektrolyten.
Jene Zwischenschicht dient hierbei zumindest in der fertiggestellten Zelle oder im fertiggestellten Akkumulator als eine sogenannte Passivierungsschicht. Eine damit vergleichbare Passivierungsschicht wird nach dem Stand der Technik im Zuge einer sogenannten Formation aus dem Elektrolyten ausgebildet. Zumindest im Falle der negativen Elektrode wird diese dann auch als Solid Electrolyte Interphase (SEI) bezeichnet. Die Zwischenschicht wird dagegen erfindungsgemäß vor der sogenannten Formation und insbesondere vor der sogenannten Zellassemblierung ausgebildet. Bevorzugt wird die Zwischenschicht hierbei als rein organische Schicht ausgebildet. Sie enthält dann insbesondere keine metallische Komponente.
Von Vorteil ist weiter eine Verfahrensvariante, bei der zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung ein erstes Monomer oder Monomer-Material in die erste Suspension eingebracht wird. Dies geschieht dann insbesondere vor der Auftragung der ersten Suspension auf die erste Metallfolie. Einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante entsprechend wird zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung das erste Monomer auf die Aktivmaterialschicht aufgesprüht. Dies geschieht dann typischerweise nach der Auftragung der ersten Suspension auf die erste Metallfolie.
Auch wird in einigen Anwendungsfällen zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung das erste Monomer in die erste Suspension eingebracht, was insbesondere vor der Auftragung der ersten Suspension auf die erste Metallfolie geschieht, und zudem wird zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung das erste Monomer oder ein weiteres Monomer auf die Aktivmaterialschicht aufgesprüht, was insbesondere nach der Auftragung der ersten Suspension auf die erste Metallfolie geschieht. Wird ein weiteres Monomer aufgesprüht, so weist die erste Polymerbeschichtung im fertiggestellten Zustand dann typischerweise zwei unterschiedliche Schichten auf, die durch unterschiedliche Polymere ausgebildet sind.
Ist die Ausbildung einer ersten Polymerbeschichtung vorgesehen, die im fertiggestellten Zustand zwei unterschiedliche Schichten aufweist, so wird diese in einer weiteren alternativen Ausführungsvariante ausgebildet, indem das erste Monomer auf die Aktivmaterialschicht aufgesprüht wird, was insbesondere nach der Auftragung der ersten Suspension auf die erste Metallfolie geschieht, und indem in der Folge das weiter Monomer aufgesprüht wird.
Unabhängig davon, welche der zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten ausgeführt wird, wird als erstes Monomer bevorzugt Styrol, ein Acrylat oder ein Sulfonat eingesetzt. Auch für das weitere Monomer wird, sofern ein weiteres Monomer zum Einsatz kommt, bevorzugt Styrol, ein Acrylat oder ein Sulfonat eingesetzt.
Ist ein zuvor beschriebenes Aufsprühen vorgesehen, so wird zweckdienlicherweise eine Lösung aufgesprüht, bei der das erste Monomer oder das weitere Monomer in einem Lösungsmittel gelöst ist. Bei jenem Lösungsmittel handelt es sich beispielsweise um ein fluoriertes oder ein nicht protisches Lösungsmittel. Bevorzugt handelt es sich um ein Elektrolytlösungsmittel, also ein Lösungsmittel, welches im Elektrolyten der Zelle enthalten ist.
Der Elektrolyt der Zelle weist somit bevorzugt zumindest ein Lösungsmittel oder Lösemittel auf, insbesondere ein organisches Lösemittel. Als Lösungsmittel, insbesondere als Elektrolytlösungsmittel, kommt bspw. ein Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Diethylcarbonat, Dimethyl- carbonat, Ethylmethylcarbonat, Acetonitril, Glutaronitril, Adiponitril, Pimelonitril, gamma-Butyro- lacton, gamma-Valerolacton, Dimethoxyethan, 1 ,3-Dioxalan, Methylacetat und/oder Mischungen davon zum Einsatz.
Zudem weist der Elektrolyt zweckdienlicherweise wenigstens ein Lithium-Salz (auch: „Lithium- Leitsalz“) auf. Als ein solchen Lithium-Salz kommt beispielswiese wenigstens LiAsF6, LiCIO4, LiSbF6, LiPtCI6, Li(CF3)SO3 (LiTf), LiC (SO2CF3)3, ein phosphatbasiertes Lithium-Salz - z. B. LiPF6, LiPF3(CF3)3 (LiFAP) und LiPF4(C2O4) (LiTFOB) - ein boratbasiertes Lithium-Salz - bspw. LiBF4, LiB(C2O4)2 (LiBOB), LiBF2(C2O4) (LiDFOB), LiB(C2O4)(C3O4) (LiMOB), Li(C2F5BF3) (LiFAB) und Li2B12Fi2 (LiDFB),L - und/oder ein Lithium-Salz von Sulfonylimiden — z. B. LiN(SO2CF3)2 (LiTFSI) und UN (SO2C2F5)2 (LiBETI) - zum Einsatz. Ein besonders bevorzugtes Lithium-Leitsalz ist LiPF6 (Lithiumhexafluorphosphat) oder Mischungen von diesem.
Wie bereits zuvor dargelegt wird die erste Suspension zur Ausbildung der ersten Aktivmaterialschicht auf die erste Metallfolie aufgetragen. Hierdurch wird dann eine erste beschichtete Metallfolie hergestellt. Soll die erste Elektrode in der fertiggestellten Zelle oder im fertiggestellten Akkumulator als negative Elektrode dienen, so kommt als Aktivmaterial für die Aktivmaterialschicht beispielsweise Graphit oder Silicium zum Einsatz. Soll die erste Elektrode in der fertiggestellten Zelle oder im fertiggestellten Akkumulator als positive Elektrode dienen, so kommt als Aktivmaterial für die Aktivmaterialschicht zum Beispiel ein NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt- Oxid), LFP (Lithiumeisenphosphat) oder ein NCA (Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid) zum Einsatz. Alternativ kommen sogenannte Next-Generation Elektrodenmaterialien, insbesondere Next-Generation Kathodenmaterialien, zum Einsatz oder Hochvolt-Spinelle, wie LNMO (Lithiumnickelmanganoxid).
Unabhängig davon wird nun die erste Suspension zur Ausbildung der ersten Aktivmaterialschicht auf die erste Metallfolie aufgetragen, wobei die erste beschichtete Metallfolie hergestellt wird. Bevorzugt wird dann weiter für die Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung eine Spannung an die erste beschichtete Metallfolie angelegt. Dies gilt insbesondere, wenn zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung das erste Monomer und/oder ein weiteres Monomer auf die Aktivmaterialschicht aufgesprüht wird. Mit der angelegten Spannung wird dann die Diffu- sion/Migration des Monomers zur oder auf die Oberfläche der Aktivmaterialschicht erhöht.
Weiter bevorzugt werden für die Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung Trocken rau mbe- dingungen vorgegeben. Dabei wird typischerweise eine relative Luftfeuchtigkeit kleiner gleich 10 % vorgegeben und insbesondere wird eine relative Luftfeuchtigkeit kleiner gleich 10 % vorgegeben. Auf die Nutzung eines Schutzgases wird bevorzugt verzichtet. Zudem werden bevorzugt keine speziellen Druckbedingungen vorgegeben. D.h., dass der vorherrschende Druck im Bereich des Normaldrucks liegt.
Davon unabhängig wird zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung eine Polymerisation hervorgerufen. Dies geschieht je nach Anwendungsfall beispielsweise durch Aufsprühen eines Radikalstarters, wie zum Beispiel eines Peroxodisulfats, eines Bezolyperoxids oder eines Azo- bisisobutyronitrils. Alternativ oder zusätzlich erfolgt eine Wärmebehandlung.
Gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren wird nun also zur Herstellung der ersten Elektrode und somit auch zur Herstellung des Akkumulators zunächst das erste Materialband hergestellt, aus dem dann die erste Elektrode im Zuge des Trennvorgangs herausgetrennt wird. Ein solches Materialband, aus dem Elektroden im Zuge eines Trennvorgangs herausgetrennt werden, wird auch als „Elektrodencoil“ bezeichnet. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um eine beschichtete Folie, die typischerweise in aufgewickelter Form vorgehalten wird. Zuvor wurde dabei lediglich eine einseitige Beschichtung für das erste Materialband beschrieben. Je nach Anwendungsfall wird jedoch im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens ein erstes Materialband hergestellt, welches zweiseitig beschichtet ist, also auf einer Oberseite und auf einer Unterseite. Bevorzugt sind die Beschichtungen auf der Oberseite und der Unterseite dabei gleichartig ausgeführt.
Wie zuvor ebenfalls bereits angedeutet weist die Lithium-Ionen-Zelle typischerweise zusätzlich zur ersten Elektrode eine zweite Elektrode auf. Je nachdem ob die erste Elektrode in der fertiggestellten Zelle dann als negative Elektrode oder als positive Elektrode dient, dient die zweite Elektrode in der fertiggestellten Zelle dann zweckdienlicherweise als positive Elektrode bzw. als negative Elektrode.
Typisch ist dann weiter eine Variante des Verfahrens, bei der zur Herstellung des Akkumulators die zweite Elektrode hergestellt wird, indem ein zweites Materialband hergestellt wird, aus dem die zweite Elektrode im Zuge eines Trennvorgangs herausgetrennt wird. Dabei wird dann bevorzugt das zweite Materialband hergestellt, indem eine zweite Suspension angemischt wird, welche ein zweites Aktivmaterial aufweist, indem die zweite Suspension zur Ausbildung der zweiten Aktivmaterialschicht auf eine zweite Metallfolie aufgetragen wird und indem eine zweite Polymerbeschichtung ausgebildet wird als eine zweite Zwischenschicht zwischen dem zweiten Aktivmaterial und dem Elektrolyten. Bevorzugt wird dabei das zweite Materialband hergestellt in einer Weise, wie sie zuvor für das erste Materialband beschrieben wurde.
Die zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen sind sinngemäß auch auf den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Akkumulator zu übertragen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der schematischen Zeichnungen. Darin zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Akkumulators mit mehreren Lithium-Ionen- Zellen,
Fig. 2 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer der Lithium-Ionen-Zellen des Akkumulators, und
Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung einer Anlage zur Herstellung des Akkumulators.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein nachfolgend exemplarisch beschriebenes Verfahren dient zur Herstellung eines Akkumulators 2, welcher als Lithium-Ionen-Akkumulator 2 ausgebildet ist. Ein solcher Akkumulator 2 weist in vielen Anwendungsfällen mehrere einheitlich ausgestaltete Lithium-Ionen-Zellen 4 oder kurz Zellen 4 auf. Die entsprechenden Zellen 4 sind dabei dann üblicherweise im Akkumulator 2 über eine Verschaltungseinrichtung 6 in nicht näher dargestellter Weise miteinander verschaltet. Dies ist in Fig. 1 angedeutet.
In jedem Fall aber weist ein solcher Akkumulator 2 zumindest eine Zelle 4 auf und eine mögliche Ausführung einer derartigen Zelle 4 ist in Fig. 2 in einer vereinfachten Schnittdarstellung gezeigt. Sie weist dabei ein Zellgehäuse 8 auf, welches mit einem Elektrolyt 10, genauer einer Elektrolytlösung 10, befüllt ist. In der Elektrolytlösung 10 sind eine erste Elektrode 12 und eine zweite Elektrode 14 angeordnet. Getrennt werden die Elektroden 12,14 durch einen Separator 16.
Beiden Elektroden 12,14 gemein ist gemäß Fig. 2 ein Aufbau mit einer Metallfolie 18, 20, einer Aktivmaterialschicht 22, 24 und einer Polymerbeschichtung 26, 28. Die Polymerbeschichtungen 26, 28 dienen hierbei zumindest in der fertiggestellten Zelle 4 oder im fertiggestellten Akkumulator 2 jeweils als eine sogenannte Passivierungsschicht.
Die Herstellung der beiden Elektroden 12,14 erfolgt dabei im Ausführungsbeispiel in analoger Weise, wobei für die Elektroden 12,14 typischerweise unterschiedliche Materialien zum Einsatz kommen. Beispielhaft wird nachfolgend die Herstellung der ersten Elektrode 12 beschrieben, die eine erste Metallfolie 18, eine erste Aktivmaterialschicht 22 und eine erste Polymerbeschichtung 26 aufweist. Die Herstellung der zweiten Elektrode 14, die eine zweite Metallfolie 20, eine zweite Aktivmaterialschicht 24 und eine erste Polymerbeschichtung 28 aufweist, kann dann davon abgeleitet werden.
Zur Herstellung der ersten Elektrode 12 und somit auch zur Herstellung des Akkumulators 2 wird dabei zunächst ein erstes Materialband 30 hergestellt. Dies ist in Fig. 3 angedeutet. Aus dem ersten Materialband 30 wird dann die erste Elektrode 12 im Zuge eines nicht dargestellten Trennvorgangs herausgetrennt.
Ein solcher Trennvorgang wird auch als Vereinzeln bezeichnet und ist zum Beispiel in „Heimes, Heiner Hans; Kampker, Achim; Lienemann, Christoph; Locke, Marc; Offermanns, Christian; Michaelis, Sarah; Rahimzei, Ehsan (2018): Produktionsprozess einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, Frankfurt am Main, PEM der RWTH Aachen und VDMA Eigendruck“ beschrieben.
Für die Herstellung des ersten Materialbands 30 wird zunächst eine erste Suspension angemischt, welche ein erstes Aktivmaterial aufweist. Die erste Suspension wird dann zur Ausbildung der ersten Aktivmaterialschicht 22 auf die erste Metallfolie 18 aufgetragen. Dieser Schritt ist in Fig. 3 durch einen Auftragungseinheit 32 angedeutet. Nach dem Aufträgen erfolgt gemäß Fig. 3 eine Trocknung mittels einer Trocknungseinheit 34. Im Folgenden wird eine erste Lösung mit einem ersten Monomer aufgesprüht. Dieser Schritt ist in Fig. 3 durch einen ersten Sprühkopf 36 angedeutet. Weiter wird mit einem zweiten Sprühkopf 38 ein Radikalstarter aufgesprüht und schließlich wird mit einer Heizeinheit 40 eine Wärmebehandlung vorgenommen.
Mit dem Radikalstarter und der Wärmebehandlung wird im Ausführungsbeispiel die Polymerisation des ersten Monomers angeregt. In einer alternativen Ausführung wird die Polymerisation allein durch Aufsprühen eines Radikalstarters oder allein durch eine Wärmebehandlung hervorgerufen. Gemäß Fig. 3 wird außerdem mittels einer Spannungseinheit 42 eine Spannung an die erste Metallfolie 32 angelegt. Mit der angelegten Spannung wird dann die Diffusion/Migration des ersten Monomers auf der Oberfläche der ersten Aktivmaterialschicht 22 erhöht. In einer alternativen Ausführung wird auf die Vorgabe einer Spannung verzichtet.
Einer weiteren alternativen Ausführung entsprechend ist die Verwendung von mehreren Monomeren vorgesehen, die in einer oder mehreren Lösungen in einem oder mehreren Sprühprozessen aufgesprüht werden.
Einer weiteren alternativen Ausführung entsprechend wird auf eine Trocknung mittels der Trocknungseinheit 34 verzichtet.
Mit dem zuvor beschrieben Verfahren wird nun also eine künstliche Passivierungsschicht in der Form einer Polymerbeschichtung ausgebildet. Die dafür notwendigen zusätzlichen Schritte sind dabei gemäß Fig. 3 in einen bereits existierenden Rolle-zu-Rolle-Bearbeitungsprozess integriert, nämlich in den Prozess „Beschichten“, der in „Heimes, Heiner Hans; Kampker, Achim; Lienemann, Christoph; Locke, Marc; Offermanns, Christian; Michaelis, Sarah; Rahimzei, Ehsan (2018): Produktionsprozess einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, Frankfurt am Main, PEM der RWTH Aachen und VDMA Eigendruck“ beschrieben ist.
In einer alternativen Ausführung wird die Polymerbeschichtung in einem zusätzlichen Rolle-zu- Rolle-Bearbeitungsprozess ausgebildet. Dieser zusätzliche Rolle-zu-Rolle-Bearbeitungsprozess wird dann vorzugsweise nach einem Prozess „Trocknen“ oder nach einem Prozess „Kalandern“ durchgeführt.
Bezugszeichenliste
Akkumulator
Lithium-Ionen-Zelle
Verschaltungseinrichtung
Zellgehäuse
Elektrolyt erste Elektrode zweite Elektrode
Separator erste Metallfolie erste Metallfolie erste Aktivmaterialschicht zweite Aktivmaterialschicht erste Polymerbeschichtung zweite Polymerbeschichtung erstes Materialband
Auftragungseinheit
Trocknungseinheit erster Sprühkopf zweiter Sprühkopf
Heizeinheit
Spannungseinheit

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators (2), welcher zumindest eine Lithium-Io- nen-Zelle (4) aufweist, in der eine erste Elektrode (12) angeordnet ist, welche eine erste Aktivmaterialschicht (22) aufweist, und in der ein Elektrolyt (10) eingebracht ist, wobei zur Herstellung der ersten Elektrode (12) ein erstes Materialband (30) hergestellt wird, aus dem die erste Elektrode (12) im Zuge eines Trennvorgangs herausgetrennt wird, und wobei das erste Materialband (30) hergestellt wird, indem
- eine erste Suspension angemischt wird, welche ein erstes Aktivmaterial aufweist,
- die erste Suspension zur Ausbildung der ersten Aktivmaterialschicht (22) auf eine erste Metallfolie (18) aufgetragen wird und
- eine erste Polymerbeschichtung (26) ausgebildet wird als eine erste Zwischenschicht zwischen dem ersten Aktivmaterial und dem Elektrolyten (10). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Polymerbeschichtung (26) als rein organische Beschichtung ausgebildet wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung (26) ein erstes Monomer in die Suspension eingebracht wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung (26) ein erstes Monomer auf die erste Aktivmaterialschicht (22) aufgesprüht wird. Verfahren nach Anspruch 4, wobei zur Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung (26) eine Lösung auf die erste Aktivmaterialschicht (26) aufgesprüht wird, welche das erste Monomer und ein Elektrolytlösungsmittel aufweist. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die erste Suspension zur Ausbildung der ersten Aktivmaterialschicht (26) auf die erste Metallfolie (18) aufgetragen wird, so dass eine erste beschichtete Metallfolie hergestellt wird, und wobei eine Spannung an die erste beschichtete Metallfolie angelegt wird für die Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung (26). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei für die Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung (26) Trockenraumbedingungen vorgegeben werden. Verfahren nach Anspruch 7, wobei für die Ausbildung der ersten Polymerbeschichtung (26) eine relative Luftfeuchtigkeit kleiner gleich 10 % vorgegeben wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zur Herstellung des Akkumulators (2) eine zweite Elektrode (14) hergestellt wird, die in der zumindest einen Lithium-Ionen-Zelle (4) angeordnet wird, wobei zur Herstellung der zweiten Elektrode (14) ein zweites Materialband hergestellt wird, aus dem die zweite Elektrode (14) im Zuge eines Trennvorgangs herausgetrennt wird, und wobei das zweite Materialband hergestellt wird, indem
- eine zweite Suspension angemischt wird, welche ein zweites Aktivmaterial aufweist,
- die zweite Suspension zur Ausbildung der zweiten Aktivmaterialschicht (24) auf eine zweite Metallfolie (20) aufgetragen wird und
- eine zweite Polymerbeschichtung (28) ausgebildet wird als eine zweite Zwischenschicht zwischen dem zweiten Aktivmaterial und dem Elektrolyten (10). Akkumulator (2) hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche.
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