WO2024088619A1 - Vorrichtung zum tränken einer blattförmigen elektrode - Google Patents

Vorrichtung zum tränken einer blattförmigen elektrode Download PDF

Info

Publication number
WO2024088619A1
WO2024088619A1 PCT/EP2023/073282 EP2023073282W WO2024088619A1 WO 2024088619 A1 WO2024088619 A1 WO 2024088619A1 EP 2023073282 W EP2023073282 W EP 2023073282W WO 2024088619 A1 WO2024088619 A1 WO 2024088619A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrolyte
electrode
active material
sheet
porous material
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/073282
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Malte Henrik Klein
Hendrik Dubbe
Original Assignee
Mercedes-Benz Group AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mercedes-Benz Group AG filed Critical Mercedes-Benz Group AG
Publication of WO2024088619A1 publication Critical patent/WO2024088619A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/60—Arrangements or processes for filling or topping-up with liquids; Arrangements or processes for draining liquids from casings
    • H01M50/609—Arrangements or processes for filling with liquid, e.g. electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/60—Arrangements or processes for filling or topping-up with liquids; Arrangements or processes for draining liquids from casings
    • H01M50/609—Arrangements or processes for filling with liquid, e.g. electrolytes
    • H01M50/627—Filling ports

Definitions

  • the invention relates to a device for impregnating a sheet-shaped electrode according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a method for impregnating a sheet-shaped electrode using such a device.
  • the invention also relates to a method for producing an electrode-separator arrangement for a galvanic cell according to the type defined in more detail in the preamble of claim 8.
  • the impregnation of electrode separator arrangements for galvanic cells, for example for lithium-ion battery cells typically takes place within the housing of the respective individual battery cell, into which the electrode separator arrangement is inserted.
  • the housing is typically evacuated and often additionally heated, after which the electrolyte is fed from one side through an electrolyte filling opening and the electrode separator arrangement is impregnated with the electrolyte, whereby the electrolyte is virtually sucked up by the electrode separator arrangement through capillary forces.
  • the object of the present invention is to provide a device and a method for impregnating a sheet-shaped electrode and a method for producing an electrode-separator arrangement for a galvanic cell, by means of which the impregnation of the electrode-separator arrangement is improved.
  • this object is achieved by a device having the features in claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1.
  • the object is achieved by a method for impregnating a sheet-shaped electrode according to claim 4.
  • a method for producing an electrode-separator arrangement for a galvanic cell according to claim 8 also solves the object.
  • the device according to the invention for impregnating a sheet-shaped electrode made of a metallic substrate and an active material, which is typically arranged on both sides of the substrate provides an electrolyte chamber which has an electrolyte supply opening on the one hand and a side made of a porous material which closes the electrolyte chamber on the other.
  • the structure can, for example, be designed as a hollow stamp, seen in cross section, through the stamp handle of which the electrolyte is supplied and whose stamp surface is made of a porous material. This is placed adjacent to the active material of the electrode.
  • the porous material is in heat-conducting connection with a heating energy source in order to evaporate the electrolyte.
  • the vaporous electrolyte can then penetrate very easily and very evenly from the porous material into the active material and flow through it evenly.
  • the electrolyte condenses in the active material of the electrode and thus ensures that it is very homogeneously impregnated with the electrolyte.
  • the typical structure of the electrode has a very advantageous effect here.
  • the metallic substrate on the side of the active material facing away from the porous material is a very good heat conductor. Cooling will therefore take place in the area of the substrate first, so that the active material, starting from its contact surface with the substrate, increasingly saturated with the electrolyte evaporating from this side in the area of the device.
  • This device is ideal for impregnating the active material of an electrode with electrolyte. This is especially true if, according to a very advantageous development of the device according to the invention, the surface of the porous material corresponds to the surface of the sheet-shaped electrode to be impregnated.
  • the device can then wet and impregnate the entire surface of the electrode with electrolyte at once. This can be done without a vacuum, although a negative pressure or a vacuum are of course also possible here as an option.
  • the homogeneously distributed electrolyte vapor then condenses out so that the active material is impregnated with liquid electrolyte.
  • the condensation takes place - as already explained above - starting from the metallic substrate.
  • the flow paths facing the porous material remain filled with gas until the end and the vaporous electrolyte can spread ideally here, so that a very uniform impregnation can be achieved.
  • the electrode is connected to a heat sink for condensing the vaporous electrolyte.
  • the electrode, and in particular the metallic substrate of the electrode is thus actively cooled in order to better support the condensation of the electrolyte within the active material starting from the contact surface with the substrate.
  • the method can be carried out without a vacuum, so that the entire device for impregnation does not have to be kept in an evacuated space.
  • it can be carried out in a volume which has a reduced pressure compared to the ambient pressure.
  • a vacuum is not necessary here, rather a slight reduction in pressure is sufficient, by which in particular the boiling point of the electrolyte can be lowered and thus the necessary heating energy of the heating energy source can be reduced accordingly.
  • the method is used in such a way that two of the devices are pressed onto the sheet-shaped electrode from both sides, so that in the case of an electrode made of a metallic substrate, for example copper or aluminum, depending on whether the cathode or the anode is impregnated and the active material applied to it is pressed onto this active material on both sides.
  • This allows relatively high pressures to be achieved, since there is no one-sided loading of the mechanically relatively vulnerable electrode.
  • the structure can thus be impregnated very quickly and efficiently with a sufficient amount of electrolyte, after which both sides of the active material of the respective electrode are evenly and completely impregnated with the electrolyte.
  • the method according to the invention for producing an electrode separator arrangement for a galvanic cell then provides for the use of two different sheet-shaped electrodes, each made of a metallic substrate and active material applied on both sides with a separator arranged in between.
  • the respective electrodes are impregnated with electrolyte according to the invention using the method and device described above and are then stacked with the separator to form the electrode separator arrangement.
  • the already impregnated or pre-impregnated electrodes ensure that the entire electrode separator arrangement is evenly impregnated with the electrolyte. It is now fundamentally possible to use the impregnation according to the method described above as pure pre-impregnation, i.e. to re-impregnate the stack in its housing.
  • a sheet-shaped separator can be used for the method according to the invention, so that individual sheets of electrodes, separators, etc. are stacked on top of one another.
  • a band-shaped separator which is folded in a Z-shape, after which the soaked or pre-soaked electrodes are pushed laterally into the pockets created by the Z-shaped fold. In this way, too, an electrode-separator arrangement can be produced as a stack in a manner known per se.
  • the only attached figure 1 shows in three individual images the process for impregnating an electrode with electrolyte using a device according to the invention.
  • An electrode 1 is shown on the very left of Figure 1. It consists of a metallic substrate 2, for example copper or aluminum, depending on whether it is the anode or the cathode. This metallic substrate 2 is coated on both of its surfaces with an active material 3. The active material 3 on the substrate 2 in the left-hand illustration of Figure 1 is not impregnated.
  • electrolyte stamps 4 are now pressed onto the active material 3 of the electrode 1 from above and below onto this structure of the unwetted electrode 1 with a force indicated by the arrows F.
  • Each of these electrolyte stamps 4 represents a device 4 for impregnating the active material 3 of the electrode 1 with electrolyte E.
  • This electrolyte E is shown here with an irregular cross-hatching.
  • Each of the electrolyte stamps 4 comprises an electrolyte chamber 5, which merges into a hollow stamp shaft 6, which is designed as a supply opening 6 for the electrolyte E. In the direction of the electrode 1, the respective electrolyte chamber 5 is closed by a porous material 7.
  • the porous material 7 forms a flat finish, the area of which corresponds to the area of the electrode 1 to be wetted or its active material 3.
  • the porous On the one hand, material 7 counteracts the pressure loss to the electrolyte E so high that it is evenly distributed over the entire surface of the porous material 7 and can be evaporated in it.
  • the porous material 7 is connected to a heating energy source +dQ/dt. The heat required for evaporation is supplied by this heating energy source +dQ/dt.
  • the electrolyte stamps 4 are now pressed against the active material 3 of the electrode 1, as already indicated above and shown in the middle by the force arrows F in the illustration in Figure 1.
  • the electrolyte E is then evaporated so that it emerges in vapor form from the porous material 7 and flows evenly over the entire surface into the area of the active material 3.
  • the vaporous electrolyte E can distribute evenly and very homogeneously in the active material 3, which is also porous.
  • the metallic substrate 2 of the electrode 1 is a very good heat conductor due to its metallic design and can ideally be connected to a heat sink -dQ/dt. The substrate 2 and thus ultimately the electrode 1 are actively cooled as a result.
  • This active cooling can be used in particular when the vapor of the electrolyte E has already penetrated the active material 3. Together with the existing dissipation of heat through the substrate 2 and the additional optional cooling of the same via the heat sink -dQ/dt, this results in the vaporous electrolyte E condensing out from the contact surface between the active material 3 and the substrate 2 and completely and evenly soaking the active material in the direction of the electrolyte stamp 4. If the electrode 1 remains between the two electrolyte stamps 4 for a sufficient time, the entire active material 3 is very homogeneously soaked with electrolyte. This state of the electrode 1, whose active material 3 is completely soaked with the electrolyte E, is shown on the right in Figure 1.
  • An electrode-separator arrangement which is not explicitly shown here, can then be stacked, for example, from such impregnated electrodes 1 of the respective polarity alternately with separators arranged in between, and this stack produced in this way can then be integrated into a housing in order to form the actual individual battery cell.
  • This can preferably be implemented as a lithium-ion cell, which can be used, for example, in a traction battery for at least partially electrically driving a vehicle.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (4) zum Tränken einer blattförmigen Elektrode (1) aus metallischem Substrat (2) und Aktivmaterial (3) einer galvanischen Zelle mit Elektrolyt (E). Erfindungsgemäß umfasst diese Vorrichtung eine Zufuhröffnung (6) für unter Druck stehenden Elektrolyt (E) in einer Elektrolytkammer (5). Die Elektrolytkammer ist auf einer ihrer Seiten über ein poröses Material (7) verschlossen, welches einen ebenen Abschluss ausbildet, und welches mit einer Heizenergiequelle (+dQ/dt) in wärmeleitender Verbindung steht. Diese Vorrichtung (4) kann zum Tränken der Elektrode (1) auf diese aufgepresst werden, wonach Elektrolyt (E) in die Elektrolytkammer (5) zugeführt und im Bereich des porösen Materials (7) verdampft wird, um das Aktivmaterial (3) der Elektrode (1) mit Elektrolyt (E) zu tränken.

Description

Vorrichtung zum Tränken einer blattförmigen Elektrode
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Tränken einer blattförmigen Elektrode nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Tränken einer blattförmigen Elektrode mit einer derartigen Vorrichtung. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer Elektroden- Separatoren-Anordnung für eine galvanische Zelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 8 näher definierten Art.
Das Tränken von Elektroden-Separatoren-Anordnungen für galvanische Zellen, beispielsweise für Lithium-Ionen-Batteriezellen, erfolgt typischerweise innerhalb des Gehäuses der jeweiligen Batterieeinzelzelle, in welches die Elektroden-Separatoren- Anordnung eingebracht ist. Das Gehäuse wird hierzu typischerweise evakuiert und häufig zusätzlich erwärmt, wonach der Elektrolyt von einer Seite aus durch eine Befüllöffnung für Elektrolyt zugeführt wird und die Elektroden-Separatoren-Anordnung mit dem Elektrolyt tränkt, wobei durch Kapillarkräfte der Elektrolyt von der Elektroden-Separatoren- Anordnung quasi aufgesaugt wird.
Im Journal of Power Sources 380 (2018) 126-134 ist im Artikel „Visualization of electrolyte filling process and influence of vacuum during filling for hard case prismatic lithium ion cells by neutron imaging to optimize the production process” von Weydanz et al. ein solcher Ablauf beschrieben. Dabei sind entsprechende Aufnahmen einer Batterieeinzelzelle während der Befüllung mit Elektrolyt gezeigt. Diese Aufnahmen zeigen, dass der Elektrolyt eine gewisse Zeit nach dem Einfüllen in das Gehäuse den gesamten Elektrodenstapel umgibt und von allen Stirnseiten aus gleichmäßig in den Elektrodenstapel eingesaugt wird. Dies führt in der Praxis dazu, dass trotz der Evakuierung eventuell noch in dem Elektrodenstapel verbliebene Feuchtigkeit und Gase sich am Ende des Befüllungsprozesses in der Mitte des Elektrodenstapels konzentrieren. Derartige Stellen, welche nicht oder nicht vollständig mit dem Elektrolyt getränkt sind, führen in der Praxis dann zu einer Beeinträchtigung der Performance der Batterieeinzelzelle und verringern deren Lebensdauer.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Tränken einer blattförmigen Elektrode sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Elektroden-Separatoren-Anordnung für eine galvanische Zelle anzugeben, durch welche die Tränkung der Elektroden-Separatoren-Anordnung verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Tränken einer blattförmigen Elektrode gemäß Anspruch 4 gelöst. Letztlich löst auch ein Verfahren zum Herstellen einer Elektroden-Separatoren-Anordnung für eine galvanische Zelle gemäß Anspruch 8 die Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung sowie der beiden Verfahren ergeben sich dabei aus den hiervon jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Tränken einer blattförmigen Elektrode aus einem metallischen Substrat und einem Aktivmaterial, welches typischerweise auf beiden Seiten des Substrats angeordnet ist, sieht eine Elektrolytkammer vor, welche eine Zufuhröffnung Elektrolyt einerseits und eine Seite aus einem porösen Material, welches die Elektrolytkammer verschließt, andererseits aufweist. Der Aufbau kann beispielsweise im Querschnitt gesehen als hohler Stempel ausgebildet sein, durch dessen Stempelgriff der Elektrolyt zugeführt wird, und dessen Stempelfläche aus einem porösen Material ausgebildet ist. Dieses wird benachbart zu dem Aktivmaterial der Elektrode platziert. Das poröse Material steht mit einer Heizenergiequelle in wärmeleitender Verbindung, um das Elektrolyt zu verdampfen. Der dampfförmige Elektrolyt kann dann sehr leicht und sehr gleichmäßig aus dem porösen Material in das Aktivmaterial eindringen und dieses gleichmäßig durchströmen. Der Elektrolyt kondensiert in dem Aktivmaterial der Elektrode und sorgt so für eine sehr homogene Tränkung desselben mit dem Elektrolyt. Dabei wirkt sich der typische Aufbau der Elektrode sehr vorteilhaft aus. Das metallische Substrat auf der dem porösen Material abgewandten Seite des Aktivmaterials stellt einen sehr guten Wärmeleiter dar. Die Abkühlung wird also im Bereich des Substrats zuerst erfolgen, sodass das Aktivmaterial ausgehend von seiner Berührungsfläche mit dem Substrat sich zunehmend mit dem von dieser Seite her auskondensierenden im Bereich der Vorrichtung verdampften Elektrolyten tränkt.
Mit dieser Vorrichtung kann das Aktivmaterial einer Elektrode also ideal mit Elektrolyt getränkt werden. Dies gilt insbesondere, wenn es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen ist, dass die Fläche des porösen Materials der Fläche der zu tränkenden blattförmigen Elektrode entspricht. Über die Vorrichtung lässt sich dann die gesamte Fläche der Elektrode auf einmal mit Elektrolyt benetzen und durchtränken. Dies kann ohne Vakuum erfolgen, wobei auch hier selbstverständlich optional ein Unterdrück oder ein Vakuum möglich sind.
Verfahrensgemäß läuft dies nun so ab, dass eine blattförmige Elektrode mittels einer solchen Vorrichtung in der Art getränkt wird, dass die Elektrolytkammer der Vorrichtung mit dem porösen Material auf die Fläche mit dem Aktivmaterial der Elektrode aufgepresst wird. Durch die beim Aufpressen aufgebrachte Kraft wird das poröse Material gegen das Aktivmaterial der Elektrode gedrückt. Im Anschluss wird dann der Elektrolyt zugeführt. Durch den hohen Druckverlust des porösen Materials verteilt er sich gleichmäßig über die gesamte Fläche, und wird in dem porösen Material bis zur Verdampfung erhitzt und strömt dann aus dem porösen Material dampfförmig auf der gesamten Fläche aus und kann so sehr homogen in das Aktivmaterial der jeweiligen Elektrode einströmen und sich gleichmäßig in dem Aktivmaterial, welches typischerweise ebenfalls porös ist, verteilen. Der homogen verteilte Elektrolytdampf kondensiert dann aus, so dass das Aktivmetrial mit flüssigem Elektrolyt getränkt ist. Die Auskondensation erfolgt - wie oben bereits erklärt - ausgehend von dem metallischen Substrat. Somit bleiben die Strömungswege, welche dem porösen Material zugewandt sind, bis zuletzt mit Gas gefüllt und der dampfförmige Elektrolyt kann sich hier ideal ausbreiten, sodass eine sehr gleichmäßige Durchtränkung erzielt werden kann.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei so, dass die Elektrode zur Kondensation des dampfförmigen Elektrolyts mit einer Wärmesenke verbunden ist. Die Elektrode, und hier insbesondere das metallische Substrat der Elektrode, wird also aktiv gekühlt, um die Auskondensation des Elektrolyten innerhalb des Aktivmaterials von der Berührungsfläche mit dem Substrat ausgehend noch besser zu unterstützen. Wie ebenfalls bereits erwähnt lässt sich das Verfahren ohne ein Vakuum durchführen, sodass also die gesamte Vorrichtung zum Tränken nicht innerhalb eines evakuierten Raumes vorgehalten werden muss. Dennoch kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass es in einem Volumen durchgeführt wird, welches einen gegenüber dem Umgebungsdruck reduzierten Druck aufweist. Ein Vakuum ist dabei nicht notwendig, vielmehr reicht eine leichte Druckreduzierung aus, durch welche insbesondere der Siedepunkt des Elektrolyten abgesenkt und damit die notwenige Heizenergie der Heizenergiequelle entsprechend reduziert werden kann.
Besonders günstig ist es, wenn das Verfahren so angewandt wird, dass zwei der Vorrichtungen von beiden Seiten der blattförmigen Elektrode aus auf diese aufgepresst werden, sodass also bei einer Elektrode aus metallischem Substrat, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, je nachdem, ob die Kathode oder die Anode getränkt wird und darauf aufgebrachtem Aktivmaterial beidseitig auf dieses Aktivmaterial aufgepresst wird. Hierdurch sind relativ große Drücke möglich, da keine einseitige Belastung der mechanisch relativ anfälligen Elektrode auftreten. Der Aufbau kann so sehr schnell und effizient mit einer ausreichenden Menge an Elektrolyt getränkt werden, wonach die beiden Seiten des Aktivmaterials der jeweiligen Elektrode gleichmäßig und vollständig mit dem Elektrolyt durchtränkt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Elektroden-Separatoren- Anordnung für eine galvanische Zelle sieht es dann vor, dass zwei unterschiedliche blattförmige Elektroden aus jeweils einem metallischen Substrat und beidseitig aufgebrachtem Aktivmaterial mit dazwischen angeordnetem Separator zum Einsatz kommen. Die jeweiligen Elektroden sind dabei erfindungsgemäß mittels des oben beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit Elektrolyt getränkt und werden dann mit dem Separator zu der Elektroden-Separator-Anordnung aufgestapelt. Durch die bereits getränkten beziehungsweise vorgetränkten Elektroden wird eine gleichmäßige Durchtränkung der gesamten Elektroden-Separatoren-Anordnung mit dem Elektrolyt erreicht. Nun ist es grundsätzlich möglich, die Tränkung gemäß des oben beschriebenen Verfahrens als reine Vortränkung zu verwenden, den Stapel also in seinem Gehäuse nochmals entsprechend nachzutränken. Bei einer ausreichenden Tränkung der einzelnen Elektroden kann ein solcher Schritt jedoch auch unterbleiben. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung kann für das erfindungsgemäße Verfahren ein blattförmiger Separator verwendet werden, sodass also einzelne Blätter von Elektroden, Separatoren usw. aufeinander aufgestapelt werden. Alternativ dazu wäre es auch denkbar, einen bandförmigen Separator zu verwenden, welcher Z-förmig gefaltet wird, wonach die getränkten bzw. vorgetränkten Elektroden in die durch die Z-förmige Faltung entstandenen Taschen seitlich eingeschoben werden. Auch auf diese Art kann in an sich bekannter Art und Weise eine Elektroden-Separatoren-Anordnung als Stapel hergestellt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figur näher dargestellt ist.
Die einzige beigefügte Figur 1 zeigt dabei in drei Einzelbildern den Ablauf zum Tränken einer Elektrode mit Elektrolyt unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der Figur 1 ganz links ist eine Elektrode 1 dargestellt. Sie besteht aus einem metallischen Substrat 2, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, je nachdem, ob es sich um die Anode oder die Kathode handelt. Dieses metallische Substrat 2 ist auf seinen beiden Oberflächen jeweils mit einem Aktivmaterial 3 entsprechend beschichtet. Das Aktivmaterial 3 auf dem Substrat 2 in der Darstellung der Figur 1 links ist dabei ungetränkt.
In der nächsten in der Mitte der Figur 1 dargestellten Station werden auf diesen Aufbau der unbenetzten Elektrode 1 nun von oben und von unten Elektrolytstempel 4 mit einer durch die Pfeile F angedeuteten Kraft auf das Aktivmaterial 3 der Elektrode 1 aufgepresst. Jeder dieser Elektrolytstempel 4 stellt dabei eine Vorrichtung 4 zum Tränken des Aktivmaterials 3 der Elektrode 1 mit Elektrolyt E dar. Dieser Elektrolyt E ist hier mit einer unregelmäßigen Kreuzschraffur dargestellt. Jeder der Elektrolytstempel 4 umfasst eine Elektrolytkammer 5, welche in einen hohlen Stempelschaft 6 übergeht, welcher als Zufuhröffnung 6 für den Elektrolyt E ausgebildet ist. In Richtung der Elektrode 1 ist die jeweilige Elektrolytkammer 5 durch ein poröses Material 7 verschlossen.
Das poröse Material 7 bildet dabei einen ebenen Abschluss, dessen Fläche der Fläche der zu benetzenden Elektrode 1 bzw. ihres Aktivmaterials 3 entspricht. Das poröse Material 7 setzt dem Elektrolyt E dabei einerseits einen so hohen Druckverlust entgegen, dass dieser sich gleichmäßig über die gesamte Fläche des porösen Materials 7 verteilt und in diesem verdampft werden kann. Hierfür steht das poröse Material 7 mit einer Heizenergiequelle +dQ/dt in Verbindung. Durch diese Heizenergiequelle +dQ/dt wird die für das Verdampfen benötigte Wärme zugeführt.
Die Elektrolytstempel 4 werden nun wie oben bereits angedeutet und durch die Kraftpfeile F in der Darstellung der Figur 1 in der Mitte gezeigt, gegen das Aktivmaterial 3 der Elektrode 1 gepresst. Im Anschluss wird der Elektrolyt E verdampft, sodass dieser dampfförmig aus dem porösen Material 7 austritt und über die gesamte Fläche gleichmäßig in den Bereich des Aktivmaterials 3 strömt. In dem ebenfalls porösen Aktivmaterial 3 kann sich der dampfförmige Elektrolyt E gleichmäßig und sehr homogen verteilen. Das metallische Substrat 2 der Elektrode 1 ist dabei durch die metallische Ausführung sehr gut wärmeleitend und kann idealerweise an eine Wärmesenke -dQ/dt angeschlossen werden. Das Substrat 2 und damit letztlich die Elektrode 1 wird dadurch aktiv gekühlt. Diese aktive Kühlung kann insbesondere dann einsetzen, wenn der Dampf des Elektrolyten E bereits in das Aktivmaterial 3 eingedrungen ist. Zusammen mit der ohnehin bestehenden Ableitung von Wärme durch das Substrat 2 und der zusätzlichen optionalen Kühlung desselben über die Wärmesenke -dQ/dt wird so erreicht, dass der dampfförmige Elektrolyt E ausgehend von der Berührungsfläche zwischen dem Aktivmaterial 3 und dem Substrat 2 auskondensiert und das Aktivmaterial in Richtung des Elektrolytstempels 4 hin vollständig und gleichmäßig durchtränkt. Bei ausreichender Verweilzeit der Elektrode 1 zwischen den beiden Elektrolytstempeln 4 wird hierdurch das gesamte Aktivmaterial 3 mit Elektrolyt sehr homogen durchtränkt. Dieser Zustand der Elektrode 1 , deren Aktivmaterial 3 mit dem Elektrolyt E vollständig durchtränkt ist, ist in der Darstellung der Figur 1 rechts dargestellt.
Eine Elektroden-Separatoren-Anordnung, welche hier nicht explizit dargestellt ist, lässt sich dann beispielsweise aus derartigen getränkten Elektroden 1 der jeweiligen Polung abwechselnd mit dazwischen angeordneten Separatoren aufstapeln und dieser so hergestellte Stapel lässt sich dann in ein Gehäuse integrieren, um die eigentliche Batterieeinzelzelle auszubilden. Diese kann vorzugsweise als Lithium-Ionen-Zelle realisiert werden, welche beispielsweise in einer Traktionsbatterie zum zumindest teilweisen elektrischen Antreiben eines Fahrzeugs zum Einsatz kommen kann.

Claims

Patentansprüche Vorrichtung (4) zum Tränken einer blattförmigen Elektrode (1) aus einem metallischen Substrat (2) und Aktivmaterial (3) für eine galvanische Zelle mit Elektrolyt (E), dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhröffnung (6) für Elektrolyt (E) in einer Elektrolytkammer (5) vorgesehen ist, wobei die Elektrolytkammer (5) auf ihrer einen Seite über ein poröses Material (7) verschlossen ist, welches einen ebenen Abschluss der Elektrolytkammer (5) ausbildet, und welches mit einer Heizenergiequelle (+dQ/dt) in wärmeleitender Verbindung steht. Vorrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ebene Abschluss in seiner Fläche der Fläche des Aktivmaterials (3) der zu tränkenden blattförmigen Elektrode (1) entspricht. Vorrichtung (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhröffnung (6) in der Elektrolytkammer (5) gegenüber des porösen Materials (7) angeordnet ist. Verfahren zum Tränken einer blattförmigen Elektrode (1) aus einem metallischen Substrat (2) und Aktivmaterial (3) mittels wenigstens einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytkammer (5) der Vorrichtung (4) mit dem porösen Material (7) auf die Elektrode (1) aufgepresst und Elektrolyt (E) zugeführt wird, während gleichzeitig eine Beheizung des porösen Materials (7) durch die Heizenergiequelle (+dQ/dt) in der Art erfolgt, das der Elektrolyt (E) das poröse Material in Richtung der Elektrode (1) dampfförmig verlässt. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (19) zur Kondensation des dampfförmigen Elektrolyts (E) mit einer Wärmesenke (-dQ/dt) verbunden wird. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch seine Durchführung in einem Volumen mit gegenüber dem Umgebungsdruck reduzierten Druck. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Vorrichtungen (4) von beiden Seiten der blattförmigen Elektrode (1) auf diese aufgepresst werden, wonach Elektrolyt (E) zu den Elektrolytkammern (5) der beiden Vorrichtungen (4) zugeführt wird. Verfahren zum Herstellen einer Elektroden-Separatoren-Anordnung für eine galvanische Zelle, mit zwei unterschiedlichen blattförmigen Elektroden (1) aus jeweils einem metallischen Substrat (2) und Aktivmaterial (3) sowie dazwischen angeordneten Separatoren, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Elektroden (1) mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 7 mit Elektrolyt (E) getränkt oder zumindest vorgetränkt werden, und dann mit den Separatoren zu der Elektroden-Separatoren-Anordnung aufgestapelt werden. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass blattförmige Separatoren verwendet werden. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein bandförmiger Separator Z-förmig gefaltet wird, wonach die unterschiedlichen Elektroden (1) seitlich in die Falten eingeschoben werden.
PCT/EP2023/073282 2022-10-24 2023-08-24 Vorrichtung zum tränken einer blattförmigen elektrode WO2024088619A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022003928.1 2022-10-24
DE102022003928.1A DE102022003928B3 (de) 2022-10-24 2022-10-24 Vorrichtung und Verfahren zum Tränken einer blattförmigen Elektrode sowie Verfahren zum Herstellen einer Elektroden-Separatoren-Anordnung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024088619A1 true WO2024088619A1 (de) 2024-05-02

Family

ID=87929216

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/073282 WO2024088619A1 (de) 2022-10-24 2023-08-24 Vorrichtung zum tränken einer blattförmigen elektrode

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022003928B3 (de)
WO (1) WO2024088619A1 (de)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006073558A (ja) * 2004-08-31 2006-03-16 Sanyo Electric Co Ltd 電解液供給装置及びこの装置を用いた電気エネルギー蓄積デバイスの製造方法
US20170207488A1 (en) * 2016-01-15 2017-07-20 Aruna Zhamu Production process for alkali metal-sulfur batteries having high volumetric and gravimetric energy densities
JP2020047803A (ja) * 2018-09-20 2020-03-26 アイシン精機株式会社 電解液含浸冶具、電解液含浸装置及び電解液含浸方法
WO2021234220A1 (en) * 2020-05-17 2021-11-25 Pulsedeon Oy Method for the manufacture of an energy storage device utilising lithium and a web comprising inorganic solid electrolyte
US20220045311A1 (en) * 2015-10-08 2022-02-10 Global Graphene Group, Inc. Continuous process for producing electrodes and alkali metal batteries having ultra-high energy densities

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5865860A (en) 1997-06-20 1999-02-02 Imra America, Inc. Process for filling electrochemical cells with electrolyte
HUP0101103A2 (hu) 2000-03-17 2001-11-28 Sony Corporation Eljárás és berendezés száraz tartalék akkumulátor gyártására
DE102014009623A1 (de) 2014-06-27 2015-12-31 Daimler Ag Verfahren zur Herstellung einer Batterie und Befüllvorrichtung
DE102021208894A1 (de) 2021-08-13 2023-02-16 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006073558A (ja) * 2004-08-31 2006-03-16 Sanyo Electric Co Ltd 電解液供給装置及びこの装置を用いた電気エネルギー蓄積デバイスの製造方法
US20220045311A1 (en) * 2015-10-08 2022-02-10 Global Graphene Group, Inc. Continuous process for producing electrodes and alkali metal batteries having ultra-high energy densities
US20170207488A1 (en) * 2016-01-15 2017-07-20 Aruna Zhamu Production process for alkali metal-sulfur batteries having high volumetric and gravimetric energy densities
JP2020047803A (ja) * 2018-09-20 2020-03-26 アイシン精機株式会社 電解液含浸冶具、電解液含浸装置及び電解液含浸方法
WO2021234220A1 (en) * 2020-05-17 2021-11-25 Pulsedeon Oy Method for the manufacture of an energy storage device utilising lithium and a web comprising inorganic solid electrolyte

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JOURNAL OF POWER SOURCES, vol. 380, 2018, pages 126 - 134

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022003928B3 (de) 2024-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112005002039B4 (de) Verfahren zum Herstellen eines Diffusionsmediums mit mikroporöser Schicht, Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Betrieb desselben
DE69830712T2 (de) Elektrode und batterie
DE69929731T2 (de) Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
DE102013207900A1 (de) Membran-Elektroden-Einheit und Brennstoffzelle mit einer solchen
DE112006000900T5 (de) Brennstoffzelle, Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle
EP3884535B1 (de) Brennstoffzellenplatte, bipolarplatte und brennstoffzellenvorrichtung
DE102016004306A1 (de) Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellensystem, Fahrzeug und Verfahren zum Fertigen eines Brennstoffzellenstapels
WO2019121871A1 (de) Batterieanordnung
DE102009005766A1 (de) Bipolare Platte mit variablen Oberflächeneigenschaften für eine Brennstoffzelle
DE102022004410B4 (de) Verfahren zum Tränken einer Elektrode mit Elektrolyt
EP1440489A1 (de) Mikrobrennstoffzellensystem
WO2011157334A1 (de) Vorrichtung zur befeuchtung von anodengas
DE102022003928B3 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Tränken einer blattförmigen Elektrode sowie Verfahren zum Herstellen einer Elektroden-Separatoren-Anordnung
EP2025026A1 (de) Brennstoffzelle mit einer separatorplatteneinheit und separatorplatteneinheit
DE102022003453A1 (de) Vorrichtung zum Tränken einer blattförmigen Elektrode
EP3329535A1 (de) Membran für eine membran-elektroden-einheit einer brennstoffzelle und herstellungsverfahren
DE102008026395B4 (de) Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Steigern der Stabilität von Endzellen in einem Brennstoffzellenstapel
WO2022128788A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum verdichten von auf einem kollektorband aufgebrachtem elektrodenmaterial
DE102020116946B4 (de) Energiespeicher und Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers
DE102021105017A1 (de) Elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung
DE102022003450B3 (de) Gehäuse für eine Batterieeinzelzelle
DE102016208873A1 (de) Bipolarplatte, Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem mit kaskadierter Befeuchtung
DE102019205809A1 (de) Flussfeldplatte, Brennstoffzellenstapel mit einer Flussfeldplatte und Brennstoffzellensystem
DE102022004409A1 (de) Elektrode für eine Batterieeinzelzelle, Batterieeinzelzelle und Verfahren zum Befüllen mit Elektrolyt
WO2020030346A1 (de) Befeuchter, brennstoffzellenvorrichtung mit befeuchter sowie kraftfahrzeug

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23764576

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1